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DE3012328A1 - Faseroptisches messgeraet - Google Patents

Faseroptisches messgeraet

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Publication number
DE3012328A1
DE3012328A1 DE19803012328 DE3012328A DE3012328A1 DE 3012328 A1 DE3012328 A1 DE 3012328A1 DE 19803012328 DE19803012328 DE 19803012328 DE 3012328 A DE3012328 A DE 3012328A DE 3012328 A1 DE3012328 A1 DE 3012328A1
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DE
Germany
Prior art keywords
light
measuring device
fiber
medium
substance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19803012328
Other languages
English (en)
Inventor
Torgny Brogaardh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Norden Holding AB
Original Assignee
ASEA AB
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Publication date
Application filed by ASEA AB filed Critical ASEA AB
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/268—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 using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
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    • G01F23/2921—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels
    • G01F23/2922—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels with light-conducting sensing elements, e.g. prisms
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

Faseroptisches Meßgerät
Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Beispielsweise in der Ölindustrie sowie in der petroehemischen Industrie besteht ein großer Bedarf nach Möglichkeiten, den Niveaustand einer Flüssigkeit zu messen. Dabei befinden sich die Meßstellen oft in einer Umgebung, in der große Explosionsgefahr herrscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zu schaffen, das in explosionsgefährdeter Umgebung angewendet werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß durch elektrische Energie vom Geber eine Explosion oder Entzündung verursacht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein faseroptisches Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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NACHGKFtElCHTJ
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Durch das Meßgerät nach der Erfindung erhält man einen genauen Meßwert für ein beispielsweise zu messendes Niveau. Der Grad des Kontaktes beeinflußt den Meßwert, und es ist möglich, eine genaue Niveauanzeige zu erhalten.
Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine Gesamtanordnung eines Meßgerätes gemäß der Erfindung mit Elektronikteil und Geber,
Fig. 1a einen Schnitt durch den Geber längs der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 1b einen Schnitt durch den Geber längs der Linie B-B in Fig. 1,
Fig. 2 eine Faser, die von einer Spirale umgeben ist,
Fig. 3 einen Geber, bei dem die Faser selbst als Spirale gewickelt ist,
Fig. 4 eine ummantelte Faser,
Fig. 5 einen Geber, bei dem die Faser an einer beweglichen Membran befestigt ist,
Fig. 5a einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 5.
Figur 1 zeigt einen faseroptischen Geber G und eine Elektronikeinheit E. Diese Einheiten sind durch gestrichelte Umrandungen
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markiert. In dem gezeigten Beispiel besteht die Gebereinheit G aus einem Niveaugeber, der durch die optische Faser 14 mit der Elektronikeinheit E verbunden ist. Licht von einer Leucht- oder Laserdiode 1 in der Einheit E, die ein Emissionsraaximum bei der Wellenlänge Λ α hat, wird über die optische Faser 8, die Verzweigung 10, die optische Faser 11, die Verzweigung 13 und die optische Faser 14 zu einem Interferenzfilter 24 geleitet. Dieses ist so ausgebildet,- daß»der überwiegende Teil des Lichtes von der Diode 1 (bei A1) reflektiert wird. Das reflektierte Licht passiert die Faser 14, die Verzweigung 13 und die Faser 12 und gelangt an einen Fotodetektor 15, der aus einer Fotodiode oder einem Fototransistor bestehen kann. Das auf diese Weise reflektierte Licht dient als Bezugssignal. Das Licht von der Leucht- oder Laserdiode 2 mit Wellenlängen im Bereich der WeI-lenlängeA ρ» ν^Γ(1 über die optische Faser 9» die Verzweigung 10, die optische Faser 11 und die Verzweigung 13 sowie über die optische Faser 14 zum Interferenzfilter 24 geleitet. Dieses Filter ist so ausgebildet, daß das Lichtsignal von der Leuchtdiode 2 zum überwiegenden Teil (bei ca.Ap) durch das Filter transmittiert und weiter in den Geber G eindringt. Dort Wird das Licht an der Endfläche 30 reflektiert und gelangt als Meßsignal durch das Interferenzfilter 24, die optische Faser 14, die Verzweigung 13 und die optische Faser 12 an den Fotodetektor 15. Die Lichtquellen 1 und 2 werden wechselweise von den Speisegliedern 3 bzw. 4 gespeist, indem die Spannungsquelle 20 (V__-) durch den Umschalter 17 wechselweiseyaie Speiseglieder 3 und 4 angeschlossen wird. Der Oszillator 19, der den Umschalter 17
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steuert, steuert synchron auch den Umschalter 13, der das vom Verstärker 16 verstärkte Detektorsignal wechselweise auf die Eingänge der sample- and hold-Glieder 21, 22 schaltet. Ein "sample- and hold-Glied" ist ein Glied, welches den einmal an seinem Eingang vorhanden gewesenen Wert speichert und als Ausgangsgröße abgibt. Sobald eine neue Eingangsgröße erscheint, wird diese statt der bisherigen gespeichert und am Ausgang abgegeben. Das sample- and hold-Glied 21 erhält und speichert das Bezugssignal, während das sample- and hold-Glied 22 das Meßsignal erhält und speichert. Durch Quotientenbildung im Divisionsglied 23 erhält man ein Meßsignal U, das in Bezug auf Instabilitäten in der Optoelektronik und der Faseroptik kompensiert ist.
Um die Konstanz der Emissionsspektren der Lichtquellen 1 und 2 zu garantieren, werden diese von den Gliedern 5 bzw. 6, die von einem Steuerglied 7 gesteuert werden, temperaturgeregelt. Bei den Gliedern 5 und 6 kann es sich entweder um Peltierelemente oder um einfache Wärmequellen handeln, die in beiden Fällen auch Temperatursensoren enthalten.
Der Geber G taucht in ein Medium 31, dessen Niveau im Behälter gemessen werden soll. Aufgrund des hydrostatischen Druckes des Mediums 31 wird ein lichtleitender Kunststoffilm 26 gegen den Teil in Längsrichtung der Faser. 25 gepreßt, der in das Medium hineinreicht. Dadurch, daß der Film 26 einen höheren Brechungsindex als der Mantel 28 der Faser 25 hat, und dadurch, daß die Faser dort, wo der Kunststoffilm an der Faser anliegt, keinen
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oder nur einen außerordentlich dünnen Mantel hat, wird Licht aus der Faser herausgeleitet und in den unter der Oberfläche des Mediums 31 liegenden Kunststoffilm hineingeleitet mit dem -Ergebnis, daß die Lichtverluste in der Faser mit der Höhe des Niveaus zunehmen und das Meßsignal entsprechend reduziert wird. Man spricht hier also von den unbedeckten oder nur wenig bedeckten Teilen der Faser 25, den sog. besonderen Bereichen. Die Faser 25 ist in einer Hülle 29 untergebracht, und der Kunststoffilm 26 ist auf der Innenseite einer Membran 27 befestigt, die auf die Hülle 29 aufgespannt ist, so wie es die Schnitte in Fig. 1a und 1b zeigen. Fig. 1a zeigt den Geber im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1. Dieser Schnitt liegt über der Oberfläche des Mediums 31. Die Faser 25 ist mit Klebstoff 33 in der Hülle 29 befestigt. Die eine Seite der Hülle besteht aus einer Membran 27, an welcher der Kunststoffilm 26 befestigt ist. Ein Luftspalt liegt zwischen dem Kunststoffilm und der Faser 25, deren Kern im Bereich 34, dem sogenannten besonderen Bereich, freigelegt ist, d.h. in diesem Bereich ist der Mantel 28 entfernt oder außerordentlich dünn ausgebildet. Unter der Oberfläche des Mediums 31 wird die Membran 27 gegen die Faser
25 gedrückt, wie es aus Figur 1b hervorgeht. Dabei erhält man eine wohldefinierte Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffilm und der Faser 25 im Bereich 34 der Faser 25 (siehe Figur 1b).
Der Vorteil der Verwendung eines lichtleitenden Kunststoffilms
26 besteht darin, daß man ein wohldefiniertes Herausleiten des Lichtes erhält. Natürlich kann das Licht auch direkt in einen
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Absorber hineingeleitet werden, der gegen die Faser 34 gedrückt wird, was den Vorteil hat, daß die Membran 27 direkt zum Lichtherausleiten verwendet werden kann. Wenn der Kunststoffilm 26 mit einer Interferenzschicht versehen wird, die dasselbe Reflexionsspektrum wie das Filter 24 hat, kann auf das Filter verzichtet werden, da das Bezugssignal hierbei von dem Kunststoffilm erzeugt wird. Die Größe des Teils, beispielsweise des Films 26, der in dem besonderen Bereich 34 gegen den Kern der Faser 25 gepreßt wird, ist ein Maß für die Höhe des zu messenden Niveaus. Es ist somit leicht, am Divisionsglied 23 ein Meßsignal für die Höhe des Niveaus zu erhalten.
Die Figuren 2-5 zeigen einige konstruktive Varianten des Gebers nach Figur 1.
In Figur 2 ist die Faser 25 von einer gewickelten Spirale 35 umgeben, die auf der Außenseite mit einer Membran 27 versehen ist. Die Spirale 35 hat entsprechende Eigenschaften wie der Kunststoffilm 26. Über der Oberfläche des Mediums 31 ist ein Luftspalt zwischen der Spirale 35 und dem freigelegten Bereich 34 des Faserkerns vorhanden, während unter der Oberfläche des Mediums 31 der Druck des Mediums einen optischen Kontakt zwischen der Spirale 35 und dem besonderen freigelegten Bereich 34 herstellt, was wiederum bedeutet, daß aus der Faser Licht herausgeleitet wird. In den Geber eintretendes Licht wird somit in einem von der Höhe des Niveaus des Mediums, in das die Faser hineingesteckt oder eingetaucht ist, abhängigen Maße herausgeleitet.
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I NACKSCREICHT
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Statt eine Spirale 35 um die Faser 25 zu wickeln, kann die Faser selbst entsprechend Figur 3 als Spirale gewickelt werden. Die Faser 25 ist auf eine Trommel 37 gewickelt, die mit einer Bodenplatte 37a und einer Spiralleiste 36 versehen ist, um die zylindrische Membran 27 festzuhalten. Unter der Oberfläche des Mediums 31 wird die Membran 27 gegen die Faser 30 gepreßt und steigert damit die Faserdämpfung.
In sämtlichen beschriebenen Geberausführungen kann der Luftspalt zwischen der Faser und der Substanz, in die das Licht eingeleitet wird, mit einer Flüssigkeit versehen werden, die einen etwas niedrigeren Brechungsindex als der Faserkern hat. Natürlich kann auch das Medium 31, dessen Niveau man zu messen wünscht, dazu benutzt werden, Licht aus der Faser 25 herauszuleiten. Dabei wird jedoch die Lichtherausleitung sehr groß, was einen sehr kleinen Meßbereich zur Folge hat. Um die Lichtherausleitung pro Längeneinheit des eingetauchten· Teils der lichtleitenden Faser herabzusetzen und damit den Meßbereich zu vergrößern, kann die Faser mit einem Mantel 38 überzogen werden, der einen kleineren Brechungsindex als die lichtleitende Faser 25 selbst hat. Der Mantel 38 muß sehr dünn sein, damit die aus der Faser 25 heraustretenden Wellen (evaneszente Wellen) aus dem Mantel in die Umgebung heraustreten können.
Schließlich zeigt Figur 5 einen Niveaugeber, bei dem die Faser an einer beweglichen Membran 40 befestigt ist. Die Faser 14 (siehe Figur 1) kommt hier von der Unterseite her in den Geber,
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und das Medium 31 preßt die biegsame plattenförmige Membran 40 mit der Faser 25 gegen ein schwach gebogenes Glasprisma 39, das von einer Viand 41 getragen wird, Wie Figur 5a zeigt, ist die Faser 25 an der dem Prisma 39 zugewandten Seite freigelegt, so daß Licht aus der Faser 25 ins Prisma 39 geleitet werden kann, wenn die Faser gegen das Prisma 39 gepreßt wird. Der Geber ist mit Hilfe der Membran 42 abgedichtet, welche die erforderlichen Bewegungen der Membran 40 und der Faser 25 zuläßt.
Die vorstehend beschriebene Anordnung kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.
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Claims (11)

Patentanwalt und Rechtsanwalt Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Joachim B ο e c k e r PATENTANSPRÜCHE: β Frankfurt/Main 1 Rathenaupla^-e ' Telefon: (0611) *282355 Telex: 4189 066 itaxd ^achgsreioht]
1. Faseroptisches Meßgerät zum analogen Messen physikalischer Größen, vorzugsweise des Niveaus eines Mediums, welches Meßgerät aus einem Elektronikteil und einem Geber besteht, die über eine optische Faser miteinander verbunden sind, wobei der Geber mit mindestens einem lichtleitenden Kanal versehen ist, der an die genannte optische Faser angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte lichtleitende Kanal (25) in das Medium (31), von dem das Niveau oder ein anderer Parameter, gemessen werden soll, hinuntergeführt oder eingetaucht wird, daß der lichtleitende Kanal aus einem Kern besteht, dessen Brechungsindex höher als der des umgebenden Mantels (28) ist, daß der Mantel (28) einen oder mehrere Bereiche (34) längs des lichtleitenden Kanals (25) unbedeckt läßt oder hier nur sehr dünn ist, daß das Medium den eingetauchten Teil des Kanals so beeinflußt, daß Licht über die vom Mantel (25) nur dünn oder überhaupt nicht bedeckten Bereichen (34) des Kanals aus dem Kern des Kanals herausgeleitet wird, wobei diese Herausleitung entweder dadurch zustandekommt, daß eine lichtleitende (26) oder lichtabsorbierende (27) Substanz mittels des Mediums (31) in optischen Kontakt mit dem Kern in den Bereichen (34, 38) gebracht wird,oder dadurch zustandekoramt, daß das Medium (31) in optischen Kontakt mit dem Kern in den Bereichen (34, 38) gebracht wird.
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2. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz aus einem Lichtleiter (26) besteht, dessen Brechungsindex größer oder genauso groß wie der Brechungsindex des Kanals (25) ist, und daß der Lichtleiter (26) von dem Medium gegen genau definierte Bereiche des Kerns gepreßt wird.
3. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz auf einer von dem Medium (31) beeinflußbaren Membran (27) montiert ist oder die eine Seite dieser Membran (27) darstellt.
4. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz eine Oberflächentopografie hat, die mehrere wohldefinierte Kontaktpunkte zwischen der Substanz und dem Kern ergibt.
5. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz aus einer gewickelten Spirale (35) besteht, in deren Mitte der genannte lichtleitende Kanal (25) angeordnet ist (Fig. 2).
6. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz aus einem gewellten oder geriffelten Lichtleiter besteht.
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I nachgek-jchtJ
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7. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz (39) eine in Längsrichtung des lichtleitenden Kanals gebogene Oberfläche hat und daß der lichtleitende Kanal von dem Medium längs dieser Fläche gebogen und mit ihr in Kontakt gebracht wird (Fig. 5 u. 5a).
8. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Kanal (25) aus einer optischen Faser besteht.
9. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser als Spirale gewickelt ist (Fig. 3).
10. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der genannten Substanz und dem lichtleitenden Kanal mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die einen genau definierten Brechungsindex hat.
11. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle zwischen der optischen Faser (14) und dem lichtleitenden Kanal (25) ein Interferenzfilter (24) angeordnet ist (Flg. 1).
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