Messvorrichtung mit nichtelektrischer Signal- und Energieübertragung

Abstract

 Zur Erfassung von Meßwerten an einem entfernten Meßort (5) ist eine Vorrichtung mit einem Lichtwellenleiter (1) bekannt. Hierbei sendet ein elektrischer Sensor (3) ein meßabhängiges elektrisches Signal an eine Sendediode (4), die daraufhin ein optisches Signal in den Lichtwellenleiter (1) einkoppelt. Dem elektrischen Sensor (3) wird über einen Leiter mit elektrische Energie zugeführt, was in sensiblen Bereichen zu unerwünschten elektromagnetischen Wechselwirkungen mit dem Umgebungsfeld des Leiters führen kann. Derartige nachteilige Wirkungen sollen bei einer Vorrichtung obengenannter Art verhindert werden. Die Aufgabe wird unter Einsatz eines Wandlers (6) am Meßort (5) gelöst, der nichtelektrische und nichtoptische Energiewellen in elektrische Energie zum Betrieb des Sensors (3) umwandelt. Besonders einfach und wirksam ist ein akusto-optisches Einleitersystem, z.B. mit einem Glasstab (1), der in der einen Richtung das optische Meßsignal überträgt und gleichzeitig in der anderen Richtung mechanische Energie in Form elastischer Wellen leitet, die der Ultraschallwandler (6) zum Betrieb des Sensors (3) in elektrische Endegie umwandelt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten an einem entfernten Meßort mit einem Lichtwellenleiter zur Übertragung eines optischen Meßsignals vom Meßort an einen Empfangsort, mit einem elektrischen Sensor und einer Sendediode am Meßort des Lichtwellenleiters, wobei der Sensor unter anderem zur Aussendung eines meßabhängigen elektrischen Signals an die Sendediode dient, mit der daraufhin das entsprechende optische Meßsignal in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist.

[0002] Meßvorrichtungen der obengenannten Art sind bereits bekannt. Hierbei werden der elektrische Sensor und die Sendediode mit elektrischer Energie versorgt, die meist zum Meßort geleitet wird. Derartige Lösungen scheiden jedoch beim Betrieb von Sensoren in bestimmten sensiblen Bereichen, wie z.B. explosionsgeschützten Bereichen und Hochspannungsbereichen, aus. Hier ist eine Potentialtrennung über weite Strecken durch elektrisch isolierendes Material erforderlich. Die bei der Zuführung elektrischer Energie mögliche elektromagnetische Wirkung der Leitung muß ebenfalls in bestimmten Bereichen verhindert werden, um zum einen die Energie- und Signalübertragung nicht zu beeinflussen. Andererseits muß auch eine Störung des elektromagnetischen Umgebungsfeldes durch die Leiter verhindert werden. Es ist bekannt, in derartigen Fällen die Informationen in Form von Lichtsignalen über Glasfaserkabel zu übertragen. Die bisherigen Möglichkeiten zur Energieversorgung weisen Nachteile auf. Z.B. müssen Batterien wegen ihrer begrenzten Lebensdauer relativ häufig ausgewechselt werden. Der Einsatz von Motor-Generator-Systemen mit isolierter Welle oder von preßluftgetriebenen Turbinen bewirkt die Nachteile der großen mechanischen Störanfälligkeit und der Verschleißerscheinungen bei bewegten Teilen. Energieentnahme aus dem Meßkreis und transformatorische Energiekopplung führen dagegen zu erheblichen Störungen des elektromagnetischen Umfeldes durch die dabei erzeugten energiereichen elektromagnetischen Wellen.

[0003] Die Energieübertragung mittels geleiteter Lichtwellen in einem Glasfaserbündel ist wegen ihres geringen Wirkungsgrades nur für eine beschränkte Anzahl von Anwendungen interessant. Um einen tragbaren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Photonenenergie zu erreichen, müssen teure Lasersysteme als Sender eingesetzt werden.

[0004] Die Übertragung von Ultraschallwellen in Drähten ist aus der DE 28 47 871 bekannt. In der Auslegeschrift 20 15 698 wird auf die Ultraschallübertragung in Glasstäben sowie in Glas- und Kunststoffasern eingegangen. Jedoch wird hier nur die Ultraschallübertragung isoliert betrachtet.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der obengenannten Art zu schaffen, die die Messung an einem entfernten Meßort in sensiblen Bereichen ohne elektromagnetische Wechselwirkung mit der Umgebung und unter Vermeidung der genannten Nachteile ermöglicht. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Meßort mindestens ein Wandler zur Umwandlung von nichtelektrischen und nichtoptischen Energiewellen in elektrische Energie, z.B. zum Betrieb des Sensors vorgesehen ist. Ist der Wandler als Ultraschallwandler ausgeführt, so bedeutet dies, daß die Energie dem Ultraschallwandler in Form von elastischen Wellen zugeführt werden kann. Diese Schallenergie kann durch ein schalleitendes Medium zum Ultraschallwandler hingeführt werden. Wird der Lichtwellenleiter als Glasfaserbündel ausgeführt, so ist es aufgrund der Flexibilität des Glasfaserbündels den eventuellen Erfordernissen entsprechend möglich, auch gekrümmte Übertragungswege vorzusehen. Für gerade Übertragungswege ist es jedoch besonders einfach und vorteilhaft, wenn der Lichtwellenleiter als Glasstab ausgeführt ist. Ist am Empfangsort ein weiterer Ultraschallwandler vorgesehen, mit dem die mechanische Energie in Form von elastischen Wellen in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist, wobei die elastischen Wellen in dem Lichtwellenleiter an den Ultraschallwandler am Meßort übertragbar sind, so ist hiermit eine Meßvorrichtung mit einem akusto-optischen Einleiter gegeben. Die Verwendung nur eines einzigen Lichtwellenleiters ist besonders einfach und kostensparend. Zugleich wird bei dem Übertragungsprinzip mit diesem Einleiter auch eine saubere Trennung zwischen der Übertragung der mechanischen Energie und des optischen Meßsignals ererreicht. Weiterhin weist dieses akusto-optische Prinzip (Energieübertragung - Informationsübertragung) im Vergleich zu den rein optisch-optischen Einleitersystemen und akustisch-akustischen Einleitersystemen folgende Vorteile auf: Auf teure Lasersysteme als Sender zur Umwandlung elektrischer Energie in Photonenenergie, wie sie bei optisch-optischen Einleitersystemen zur Energieübertragung notwendig sind, kann bei dem akusto-optischen Einleitersystem verzichtet werden. Auch eine kurzzeitige Unterbrechung der Energieübertragung zum Zwekke der Übertragung entgegengerichteter Signale, wie sie beim optisch-optischen und akustisch-akustischen Einleitersystem üblich ist, ist beim akusto-optischen Einleitersystem nicht erforderlich. Bei akustisch-akustischen Einleitern würde diese Pause der Energieübertragung von erheblicher Dauer sein müssen, da die Teilchenverschiebung der elastischen Welle erst nach Zeiträumen im msec-Bereich abgeklungen ist. Während dieser relativ großen Zeiträume müßte die Energieversorgung des Sensors durch Speicherelemente gesichert werden. Dementsprechend ist die gleichzeitige Übertragung von mechanischer Energie und optischen Signalen im akusto-optischen Einleiter als besonders vorteilhaft anzusehen. Demgegenüber ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, bei der mindestens ein weiterer, nichtelektrischer Leiter vorgesehen ist, über den die mechanische Energie an den ersten Ultraschallwandler zuführbar ist. Diese Lösung erweist sich als günstig, weil der weitere Leiter im Hinblick auf die Übertragung der mechanischen Energie und ihre An- und Abkopplung an seinen Enden besonders gestaltet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, größere mechanische Energien mit geringem Aufwand an den ersten Ultraschallwandler hinzuführen. Ist der weitere Leiter als Lichtwellenleiter ausgeführt, so läßt sich über diesen Lichtwellenleiter nicht nur Energie in Form von elastischen Wellen übertragen, sondern zugleich auch optische Signale.

[0006] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden.

[0007] Es zeigen:

FIG 1 ein vollständiges Einleitersystem zur Energie- und Informationsübertragung mit radialer Energieankopplung,

FIG 2 ein Ende einer Übertragungsleitung mit Energieankopplung über ein Anpassungsteil,

FIG 3 ein Ende einer Übertragungsleitung mit Energieankopplung über ein Anpassungsteil unter Zwischenschaltung von optischen Reflektorteilen,

FIG 4 ein Einleitersystem mit stirnseitiger Erregung eines Glasstabes,

FIG 5 ein Einleitersystem mit stirnseitiger Erregung über eine Anpassungsschicht bei Trennung Licht führender Glasfasern,

FIG 6 einen Lichtwellenleiter zur Signalübertragung in Verbindung mit einem gesonderten Energieübertragungsweg.

[0008] FIG 1 zeigt ein Einleitersystem mit einem Glasstab 1 als Lichtwellenleiter, der zugleich zur Übertragung von Energie und von Informationssignalen dient. Hierbei werden zwei Ultraschallwandler 6, 7 in Form von scheibenförmigen Piezokeramiken auf die beiden Enden des Glasstabes 1 geschoben, wobei der Innendurchmesser der Piezokeramik-Scheiben dem Außendurchmesser des Glasstabes 1 entspricht, und Zwischen beiden eine innige Verbindung, gegebenenfalls unter zusätzlicher Verwendung von Klebstoff, hergestellt wird. Die Piezokeramik 7 am Empfangsort 2 wird durch Anlegen einer Wechselspannung erregt. Daraufhin wird eine fortlaufende elastische Welle im Glasstab 1 erzeugt, die zum anderen Ende des Glasstabes 1 wandert und dort von der Piezokeramik am Meßort 5 aufgenommen wird. An dem am Meßort 5 liegenden Ende des Glasstabes 1 ist stirnseitig eine Leuchtdiode 4 angebracht. Zwischen die Leuchtdiode 4 und die Piezokeramik 6 ist ein elektrischer Sensor 3 geschaltet. An dem am Empfangsort 2 liegenden Ende des Glasstabes 1 befindet sich stirnseitig eine Empfangsdiode 8, die mit einem Empfangsmodul 9 in Verbindung steht. Als Energiequelle 10 zur Erregung der Piezokeramik 7 ist hier eine Wechselspannungsquelle vorgesehen. Die Wechselspannungsquelle 10 erregt die Piezokeramik 7, die daraufhin die mechanische Energie in Form von elastischen Wellen radial an den Glasstab 1 koppelt. Diese in Form von elastischen Wellen im Glasstab 1 übertragene Energie wird am Meßort 5 durch die Piezokeramik 6 aufgenommen, die diese Energie zur Versorgung des elektrischen Sensors 3 in elektrische Energie umwandelt. Der elektrische Sensor 3 mißt z.B. eine physikalische Größe und sendet ein dem Meßwert entsprechendes elektrisches Meßsignal an die Leuchtdiode 4, die einen Lichtimpuls in den Glasstab 1 einkoppelt. Das Licht wird innerhalb des Glasstabes 1 geführt und kann auf der Empfangsseite 2 durch die Empfangsdiode 8 wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das Auswertemodul 9 verarbeitet dieses elektrische Signal, indem es beispielsweise den Meßwert der physikalischen Größe anzeigt oder zur Steuerung nachgeschalteter Prozesse verwendet. Für ein derartiges Einleitersystem können beispielsweise 200 kHz-Piezokeramiken 6, 7 mit Bohrungen in der Mitte benutzt werden, die auf die beiden Enden eines Glasstabes aufgeschoben werden. Auch die Verwendung eines Glasfaserkabels 1 von z.B. 2 m Länge und 2 mm Faserbündeldurchmesser ist möglich, wobei die Enden des Glasfaserkabels 1 mit Endhülsen versehen sind, auf die die beiden Piezokeramiken 6, 7 aufgeklebt werden. Als Sende- 4 und Empfangsdioden 8 können Infrarotdioden verwendet werden. Mit einem solchen Aufbau lassen sich mit einem guten Wirkungsgrad Energien über 100 mW auf akustischem Wege zum elektrischen Sensor 3 hin übertragen.

[0009] FIG 2 zeigt nur eines der beiden identischen Enden einer Übertragungsleitung, wobei hier im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform die Piezokeramik 7 nicht direkt, sondern über ein Anpassungsteil 12 an den Lichtwellenleiter 1 gekoppelt ist. Hiermit wird eine bessere Einkopplung der mechanischen Energie der Piezokeramik 7 in den Lichtwellenleiter 1 erreicht. Als Lichtwellenleiter ist hier ein flexibles Glasfaserkabel 1 dargestellt, das ein Glasfaserbündel 13, eine Endhülse 15 und eine druck- und zugfeste Ummantelung 14 umfaßt. In der Piezokeramik 7 ist eine Bohrung vorgesehen, die dem Durchmesser des Glasfaserbündels 13 entspricht und durch die Diode 6, 8 Lichtimpulse sendet bzw. empfängt.

[0010] In FIG 3 ist eine weitere Möglichkeit der Ankopplung an einem von zwei identischen Enden einer Übertragungsleitung dargestellt. Als Übertragungsleitung dient hier ein Glasfaserbündel 13 mit einer Ummantelung 14, die am Ende eine Endhülse 15 trägt. Stirnseitig sind am Ende des Glasfaserbündels 13 zwei Reflektorteile 16, 17 angebracht, die auf ihrer anderen Seite mit einem Anpassungsteil 12 versehen sind. Eine Piezokeramik 7 ist großflächig mit dem Anpassungsteil 12 verbunden. Die durch eine Wechselspannungsquelle 10 erregte Piezokeramik 7 überträgt ihre mechanische Schwingungsenergie in Form von elastischen Wellen zunächst auf das Anpassungsstück 12 und von diesem auf die Reflektorteile 16, 17. Die elastischen Wellen durchlaufen die Reflektorteile 16, 17 mit wenig Verlusten. Ein Lichtstrahl 18 wird hier im 90 ° -Winkel in die Richtung der Empfangsdiode 8 reflektiert. Auf gleiche Weise ist es jedoch auch möglich, auf der anderen Seite Licht von einer Sendediode 4 im 90 ° -Winkel in das Glasfaserkabel einzukoppeln. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nahezu die gesamte Schwingungsenergie der Piezokeramik 7 zur Energieübertragung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. In FIG 4 ist ein Einleitersystem mit einem starren Glasstab 1 zur Energie- und Signalübertragung dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß FIG 1 erfolgt hier die akustische Ankopplung nicht radial, sondern stirnseitig über entsprechend gestaltete Anpassungsteile 12. Sowohl die auf die Anpassungsteile 12 aufgebrachten Piezokeramiken 6, 7 sowie die Anpassungsteile 12 selbst sind mit Bohrungen kleinen Durchmessers versehen, um das von einer Sendediode 4 gesendete Licht in den Glasstab 1 einleiten zu können und auf der anderen Seite des Glasstabes das Licht von einer Empfangsdiode 8 empfangen zu können. Im übrigen entspricht der Aufbau des Einleitersystems der schon beschriebenen Ausführungsform gemäß FIG 1.

[0011] Eine weitere mögliche Ankopplung von mechanischer Schwingungsenergie und Lichtimpulsen zeigt die Ausführungsform gemäß FIG 5. Diese Lösung ist ausschließlich bei Glasfaserkabeln anwendbar. Die akustische und optische Kopplung an die Übertragungsleitung ist hier in besonderer Weise getrennt. Die akustische Kopplung erfolgt an der Stirnseite des Glasfaserbündels 13 mittels einer Piezokeramik 7 über ein Anpassungsstück 12. Zur optischen Kopplung wird dagegen ein Nebenfaserbündel 19 als Lichtleitung zur Empfangsdiode 7 verwendet. Hier ist zwar nur das Ende der Übertragungsleitung am Empfangsort 2 dargestellt, doch kann die Einkopplung von Lichtimpulsen mittels einer Sendediode am anderen Ende des Glasfaserbündels 13 in entsprechender Weise vorgenommen werden. Das Glasfaserbündel wird auch hier in einer druck- und zugfesten Ummantelung 14 geführt. Die Auftrennung des Glasfaserbündels, d.h. die Abtrennung des Nebenfaserbündels 19 von dem Glasfaserbündel erfolgt erst in einer Endhülse 15. Diese Ausführungsform bietet als großen Vorteil eine außerordentlich gute akustische Kopplung. Allerdings ist hierfür die Verwendung von gerichteten Glasfaserbündeln erforderlich.

[0012] Mit Ausnahme der Ausführungsform gemäß FIG 5 können die zuvor beschriebenen Übertragungsleitungen entweder als Glasstäbe oder als Glasfaserbündel realisiert werden.

[0013] FIG 6 zeigt eine Meßvorrichtung zur entfernten Messung, die neben einem Lichtwellenleiter 1 zur optischen Signalübertragung zur Energiezuführung einen getrennten Weg benutzt. Am Meßort 5 ist wiederum ein elektrischer Sensor 3 vorgesehen, der den Meßwert z.B. einer physikalischen Größe in Form eines elektrischen Signals an eine Sendediode 4 leitet, die daraufhin einen entsprechenden Lichtimpuls in den Lichtwellenleiter 1 einkoppelt. Am Empfangsort 2 nimmt eine Empfangsdiode 8 das optische Signal auf und wandelt dies zur Weiterverarbeitung in einem Empfangsmodul 9 in ein elektrisches Signal um. Zur Versorgung des elektrischen Sensors ist hier ein Wandler 6 vorgesehen, der als Ultraschallwandler ausgeführt sein kann. Dieser Wandler 6 dient zur Umwandlung von Schallenergie in elektrische Energie. Von einer Energiequelle 10 wird Schallenergie über einen weiteren festen Leiter 11 an den Wandler 6 übertragen. Dieser Leiter kann auch als Lichtwellenleiter 11 in vorbeschriebener Weise zur Übertragung von mechanischer Energie und zugleich optischer Energie verwendet werden.

[0014] Die beschriebenen Ausführungsformen von Meßvorrichtungen bieten allesamt die Möglichkeit zur Messung an einem entfernten Meßort, wobei der Meßort selbst oder der Übertragungweg in einem sensiblen Bereich liegen. Die Wahl zwischen einer dieser möglichen Ausführungsformen ist aufgrund der vorliegenden Umgebungsbedingungen und des vertretbaren Aufwands zu treffen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten an einem entfernten Meßort (5) mit einem Lichtwellenleiter (1) zur Übertragung eines optischen Meßsignals vom Meßort (5) an einen Empfangsort (2), mit einem elektrischen Sensor (3) und einer Sendediode (4) am Meßort (5) des Lichtwellenleiters (1), wobei der Sensor (3) unter anderem zur Aussendung eines meßabhängigen elektrischen Signals an die Sendediode (4) dient, mit der daraufhin das entsprechende optische Meßsignal in den Lichtwellenleiter (1) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßort (5) mindestens ein Wandler (6) zur Umwandlung von nichtelektrischen und nichtoptischen Energiewellen in elektrische Energie z.B. zum Betrieb des Sensors vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als erster Ultraschallwandler (6) ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter als Glasfaserbündel (1) ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter als Glasstab (1) ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Empfangsort (2) ein weiterer Ultraschallwandler (7) vorgesehen ist, mit dem mechanische Energie in Form von elastischen Wellen in den Lichtwellenleiter (1) einkoppelbar ist, wobei die elastischen Wellen im Lichtwellenleiter (1) an den Ultraschallwandler (6) am Meßort (2) übertragbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer nichtelektrischer Leiter (11) vorgesehen ist, über den mechanische Energie an den ersten Ultraschallwandler (6) zuführbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Leiter als Lichtwellenleiter (11) ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Energie in Form elastischer Wellen übertragen wird, die eine Wellenlänge aufweisen, welche größer als der Durchmesser der Lichtwellenleiter (1, 11) ist.

Zeichnung