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WO2010069868A1 - Messeinrichtung mit einem optischen sensor - Google Patents

Messeinrichtung mit einem optischen sensor Download PDF

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Publication number
WO2010069868A1
WO2010069868A1 PCT/EP2009/066910 EP2009066910W WO2010069868A1 WO 2010069868 A1 WO2010069868 A1 WO 2010069868A1 EP 2009066910 W EP2009066910 W EP 2009066910W WO 2010069868 A1 WO2010069868 A1 WO 2010069868A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical waveguide
measuring device
sensor
measuring
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/066910
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Hertel
Rainer Höcker
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.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Priority to EP09801428A priority Critical patent/EP2359099A1/de
Priority to US13/140,457 priority patent/US8578786B2/en
Publication of WO2010069868A1 publication Critical patent/WO2010069868A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G01F1/325—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
    • G01F1/3259—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G01F1/325—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
    • G01F1/3259—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations
    • G01F1/3266—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations by sensing mechanical vibrations

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for determining a chemical and / or physical measured variable, in particular a volume and / or mass flow, of a medium flowing through a pipeline.
  • Flow meters today often use the change in electrical capacity, electrical conductivity or voltage to determine volumetric and / or mass flow.
  • a vortex flow meter for example is, among other things, produced from a bluff body downstream of a Karman 'sche vortex street.
  • the pressure fluctuations of the vortex street are detected by a sensor flag.
  • the periodic pressure fluctuations stimulate the sensor flag to a periodic oscillation.
  • the movement of the sensor flag is, for example, read out with the aid of a piezo sensor.
  • the disadvantage of this technology is the limitation of the operating temperature of the flowmeter due to the readout mechanism and the need for on-site electronics for reading the piezo sensor, which require a complex temperature insulation and explosion protection measures on the electronics to operating temperatures of 400 0th To reach C or more.
  • Vortex flow measuring devices are also known which manage without sensor flag and in which the pressure fluctuations are detected directly by a sensor mounted in or on the bluff body.
  • Coriolis flow measuring devices use the phase shift of a vibrating measuring tube caused by the mass of a medium.
  • the Signafabgriff is usually done by immersion spools. This reading must i.a. be compensated for the temperature.
  • the interferometer consists of a pair of opposite optical fiber end surfaces, which is applied to a carrier material.
  • a device is known which receives by means of a Optäkmaschine the oscillations of a Coriolis mass flow meter. For this purpose, the weakening or extent of weakening of an optical signal resulting from the bending of the optical fiber is utilized.
  • a device for measuring the velocity of a fluid which has a transducer, which in turn has a rod-shaped projection.
  • the rod-shaped projection provides for the modulation of an optical signal transmitted via an optical waveguide.
  • a Bragg grating can be realized within an optical fiber by means of UV lithography. In this method, light is radiated broadband into the waveguide. The Bragg grating generates a Bragg reflex at a defined wavelength. This wavelength is equally dependent on temperature and length expansion. Thus, it is not readily possible to distinguish between temperature-related and length change-related effects in this method.
  • fiber-optic sensors which operate at temperatures around 800 0 C and thus exceed the thermal application range of previously known sensors by several hundred degrees Celsius.
  • a Fabry-Perot resonator is microfabricated into an optical fiber by means of a laser.
  • the facets created by making the gap at the ends of the optical waveguide have mirror-like Properties.
  • the temperature independence results from the fact that the core of the optical fiber thus produced expands when the temperature rises and compresses the two resonance surfaces.
  • the cladding of the optical fiber expands and pulls apart the resonance surfaces.
  • the object of the invention is to propose a measuring device for determining a chemical and / or physical measurand of a medium flowing through a pipeline, which works reliably and reliably even at high temperatures.
  • the measuring device comprises a sensor, wherein the sensor has at least one optical waveguide, which is used for generating, recording and / or transmission of Messsignaien, wherein the recording of the measurement signals in the optical waveguide by means of a Fabry-Perot Sensor takes place.
  • a Fabry-Perot sensor usually consists of an interferometer of two particularly plane-parallel mirrors of high reflectivity, which together form an optical resonator and are partially transparent for an electromagnetic wavelength radiated into the resonator.
  • One advantage of the invention is that the measurement signals recorded and transmitted in the optical waveguide are substantially independent of external mechanical and / or thermal influences due to the Fabry-Perot sensor. Consequently, for an evaluation of the measurement signals are mainly the properties of the optical
  • the measurement signals can be recorded at a precisely defined location in the optical waveguide.
  • the sensor according to the invention therefore makes possible a more accurate determination of the measured variable.
  • the measuring device can also be used in adverse environmental conditions, such as. High temperatures or in hazardous areas for generating, recording and / or transmission of a measuring signal.
  • the measurement signals can also be directly through the optical waveguides are generated by the optical waveguide, for example. Introduced into the pipeline and exposed to the flowing medium.
  • the measurement signals are, for example, changes in length due to pressure fluctuations or due to vibrations.
  • the Fabry-Perot sensor at least partially consists of the optical waveguide.
  • a mirror of the Fabry-Perot interferometer may consist of a specular surface of one end of an optical fiber. The sensor can thus be designed to save space.
  • the Fabry-Perot sensor is incorporated in the optical waveguide.
  • the Fabry-Perot interferometer is incorporated, for example, in the course of the optical waveguide by a gap between two end faces of the optical waveguide is made.
  • the Fabry-Perot sensor has an optical resonator which is completely incorporated in the optical waveguide.
  • the optical waveguide can consist in particular of an optical fiber or of a bundle of optical fibers.
  • optical waveguides can be used today, for example in the form of fibers.
  • Signal transmission by means of optical waves through optical fibers offers numerous advantages over electrical signal transmission.
  • optical signals are not subject to electrical interference, are safe against a highly flammable environment and very compact in installation.
  • optical waveguides large distances between the sensor and the measuring wall technology can be realized.
  • the connection is insensitive to electromagnetic interference and can be laid explosion-proof.
  • the combination of Fabry-Perot interferometer and an optical waveguide allows the use of a Fabry-Perot based length measurement to determine a chemical and / or physical measurand of a flowing through a pipeline medium.
  • the low temperature dependence of the length measurement and the high temperature resistance of the optical waveguide as well as the possibility only Having to transport light with low energy into the explosion-proof areas of a process allows the production of products with significant advantages.
  • the optical waveguide can consist of a glass and / or a plastic.
  • the optical waveguide has a core and a cladding
  • the optical resonator consists of at least one gap in the core of the optical waveguide.
  • the gap exists, for example, from an air gap.
  • the gap may also be present in the cladding of the optical waveguide and run diametrically through the optical waveguide, in particular if the optical waveguide consists of a fiber bundle, the cladding may be a region around the core of the waveguide which has a lower refractive index as the core of the optical waveguide.
  • the optical waveguide may be surrounded by a protective insulation.
  • the optical waveguide is a single-mode optical waveguide, in particular a single-mode optical fiber.
  • the ends of optical fibers may have partially reflective surfaces. Through a gap between two ends of an optical glass fiber having reflective surfaces, an optical resonator can be formed. Changing the distance between the ends of the optical fiber (s) changes intensity of intensity due to changing interference conditions in the resonator. In this way, a simple and robust Fabry-Perot sensor can be produced.
  • the measuring device is an eddy-flow measuring device with a baffle body arranged along a diameter of the pipeline and connected to the pipeline at at least one fixing point, which serves to produce Karmän vortices and / or with a sensor flag for receiving from, caused by the vertebrae pressure fluctuations.
  • the bluff body and / or the sensor flag is inserted from the outside through a hole in the measuring tube wall and the bluff body and / or the sensor flag comprises a membrane covering the bore.
  • the optical waveguide with integrated Fabry-Perot interferometer can, for example, be attached to the membrane and thereby dispense with a sensor hump for receiving the measurement signal.
  • the optical waveguide is mechanically coupled to the bluff body and / or the sensor flag and / or the membrane and responds to movements of the bluff body, the sensor flag or the membrane by a change in length.
  • the optical waveguide is connected to the baffle body and / or to the sensor flag such that the Karman vortices produce changes in length of the optical waveguide.
  • the change in length of the optical waveguide in turn causes a change in the resonance conditions in the optical resonator of the Fabry-Perot interferometer.
  • the frequency can be determined with which detach the Kärmän'schen vortex from the bluff body.
  • the intensity of the measurement signal transmitted through the optical waveguide can be determined, for example, by means of a photosensor or photodetector, in particular a photodiode.
  • the volume flow can then be determined from the interference pattern. For this purpose, for example, at least one time interval is determined between two intensity values occurring in the course of time of the intensity of the measurement signal, in particular between substantially the same intensity values.
  • the intensity values are preferably the intensity matte.
  • An intensity maximum occurs whenever the length d of the resonator is substantially a multiple of half the wavelength ⁇ of the electromagnetic wave radiated into the optical waveguide.
  • the relationship between the frequency at which the Karmän vertebrae separate from the bluff body and the determined time span can be established, for example, by calibration.
  • the time interval between two intensity values also changes over the course of time of the intensity.
  • the measuring device is a Coriolis mass flow measuring device with at least one measuring tube vibrating in measuring operation
  • the optical waveguide is mechanically coupled to the measuring tube and the optical waveguide responds to vibrations of the measuring tube by a change in length.
  • the vibrations of the measuring tube can be determined with high precision and also largely independent of the ambient conditions.
  • the optical waveguide with integrated Fabry-Perot interferometer is fixed to the measuring tube so that the measuring tube excited to vibrate produces a change in length of the optical waveguide or the Fabry-Perot resonator integrated therein.
  • the frequency of the vibrations of the measuring tube or, in the case of two measuring tubes, the phase shift between the respective frequencies of the two measuring tubes can be determined from an interference pattern which is derived from the intensity of the measuring signal transmitted through the optical waveguide. For example, a distinction is made between intensity maxima and minima and in this way a resolution of the change in length of the resonator contained in the optical waveguide is achieved up to a quarter of the wavelength of the incident light.
  • At least one photodiode is provided for determining the intensity of the measurement signal and / or the interference pattern, which comprises an electrical, generates the signal corresponding to the measurement signal.
  • the photodiode serves to generate an electrical signal from the light introduced into the optical waveguide.
  • the interference pattern can be converted into an electrical signal and transmitted to an evaluation unit.
  • the invention relates to an optical evaluation method for detecting small changes in length in the sensor of a flow measuring device, generated by the flow of substantially liquid and / or gaseous media, in particular based on the principle of vortex flow and Coriolis measurement.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement of a measuring transducer of a vortex flow measuring device with an optical signal tap
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an optical waveguide fastened to the sensor sleeve with an integrated Fabry-Perot interferometer
  • FIG. 4 shows the schematic structure of a Fabry-Perot interferometer integrated in an optical waveguide
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an optical waveguide with integrated Fabry-Perot interferometer attached to the membrane of a vortex flow measuring device
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an optical waveguide with integrated Fabry-Perot interferometer attached to the bluff body of a vortex flow measuring device
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a first and second optical waveguide connected to the membrane of a sensor flag
  • FIG. 1 shows a cross section through the measuring sensor of a vortex flow measuring device known from the prior art.
  • the vortex formed on the bluff body not shown, generate local pressure fluctuations in the flow, which are tapped by a sensor and converted into electrical signals.
  • the sensor is either integrated in the bluff body 9 or, like the sensor blade 3 shown in FIG. 1, is located immediately behind the bluff body 9
  • Periodically occurring vortex pressure fluctuations exert forces on the paddle-shaped sensor flag 3 behind the bluff body 9.
  • This paddle transmits the movement to a hüisenIndia center electrode, which forms the capacitances C1 and C2 with the divided into two half-shells 10a, 10b outer electrode.
  • a hüisenIndia center electrode which forms the capacitances C1 and C2 with the divided into two half-shells 10a, 10b outer electrode.
  • FIG. 2 shows a cross section through a measuring sensor of a vortex flow measuring device 1 according to the invention, in particular through the paddle-shaped one
  • the deflections of the sensor sleeve 2 are detected by a Fabry-Perot interferometer.
  • the Fabry-Perot interferometer consists of a mirror element 8 and an end of the optical waveguide 7.
  • the mirror element 8 and the end of the optical waveguide form an optical resonator. That's it an optical waveguide 7 is guided in the form of an optical fiber through the housing-forming wall 5 of the sensor.
  • a mirror element 8 is also mounted, which reflects the signal transmitted through the optical waveguide 7 signal.
  • a deflection of the sensor sleeve 2 results in a change in the distance between the mirror element 8 and the optical waveguide 7. As a result, the interference conditions of the resonator change.
  • the optical signal Due to the reflection on the mirror element 8, the optical signal is reflected back into the optical waveguide 7 and thus superimposed on the originally fed signal.
  • the interference signal thus formed can be detected via a photo-diode, not shown, on which the interference signal is projected.
  • the optical signal after having been reflected at the mirror element 8, is returned again through the optical waveguide 7.
  • the optical signa! therefore changes its intensity depending on the resonance conditions. This change can be represented as a function of time.
  • the interference pattern thus obtained does not correspond directly to the movement of the mounted on the sensor sleeve 2 mirror element 8, but the passage of the distance d between the open end of the optical waveguide 7 and the mirror element 8 by distances which lead to constructive or destructive interference.
  • the amplitude of the deflection, for example, of the sensor sleeve 2 shown here can thus be determined.
  • a resolution of up to one quarter of the wavelength ⁇ of the incident light can be achieved.
  • the wavelength of the electromagnetic signal transmitted through the optical waveguide 7 may be beyond the optical wavelength range in both the ultraviolet and infrared wavelengths.
  • a core (core) 42 made of a glass fiber with a cladding 41 and / or a plastic protective coating (coating) can serve as the optical waveguide 7.
  • Figure 2 contains an enlarged view of the optical resonator 48.
  • the resonator 48 consists of the specular surface of the end of the optical waveguide 7 and the mirror element 8.
  • the optical waveguide 7 is fixed to or in the wall 5 of the sensor.
  • a mirror element 8 is applied to the sensor sleeve 2, which reflects the light emerging from the optical waveguide 7 back into the optical waveguide 7.
  • FIG. 3 shows an optical waveguide 7 with an integrated Fabry-Perot interferometer.
  • the optical waveguide 7 is fixed at least to the sensor sleeve 2 and a wall 5 surrounding the vortex flow measuring transducer.
  • the Fabry-Perot resonator 48 is arranged between the fixation on the sensor sleeve 31 and the fixation on the wall.
  • the resonator is formed by two end surfaces which have mirror-like properties due to microfabrication.
  • the optical waveguide is fixed to the sensor sleeve 2, for example by gluing.
  • the resonator 48 of the Fabry-Perot interferometer is integrated into the optical fiber of the waveguide 7.
  • the resonator 48 typically has a length of 10 to 100 ⁇ m.
  • a deflection of the sensor flag 3 causes a corresponding deflection of the Sensorhüise 2 and has an expansion and / or compression of the optical waveguide 7 result.
  • the expansion and the resonance condition of the resonator 48 change, and an interference signal is formed in the optical waveguide 7.
  • the movements of the sensor sleeve are transmitted to the resonator 48.
  • the resonator therefore changes the resonance conditions as a function of the movement of the resonator
  • the length of the resonator 48 may be selected in the range of 10 times to 100 times the wavelength of the light irradiated into the optical waveguide.
  • a change in length of the resonator 48 is in the range of one tenth of the length of the resonator. At a change in length of the resonator of almost a tenth! its length, can therefore occur up to one hundred intensity maxima.
  • FIG. 4 shows an enlarged view of the Fabry-Perot interferometer integrated in the optical waveguide 7.
  • the optical waveguide 7 consists of a
  • Cladding 41 and a core 42 are surrounded by a protective coating (not shown).
  • the core 42 consists, for example, of a glass fiber. This core 42 is surrounded by the sheath 41, for example. Also glass fibers with a lower refractive index.
  • the gap in the core 42 is microfabricated, for example, by means of a laser.
  • a Fabry-Perot resonator 48 is bifurcated by the resulting end faces 44 of the optical fibers.
  • the end faces 44 of the resonator 48 have mirror-like properties.
  • the micro-machined gap by means of the laser does not have to be confined to the core 42 but may also partially exist in the cladding 41 of the optical waveguide 7.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a vortex flow measuring device with an optical waveguide 7 with integrated Fabry-Perot interferometer.
  • the optical waveguide 7 is attached to the membrane 4 of the sensor.
  • One end of the optical waveguide 7 is connected to the wall 5 of the sensor.
  • the Fabry-Perot resonator 48 is located between the wall 5 of the sensor and the sensor flag 3 on the membrane 4.
  • the optical waveguide 7 is in the region of the membrane 4 is substantially flat on the membrane 4.
  • the optical waveguide 7 is guided at the level of the membrane 7 through the wall 5 of the sensor housing of the vortex flowmeter and connected to an evaluation unit, not shown. It is also possible the optical
  • Guide waveguide 7 through the lumen 21 of the measuring device 1 to the outside.
  • the measuring device 1 shown in Figure 5 can be dispensed with a sensor sleeve 2 for receiving the measurement signals.
  • FIG. 6 does not show to scale a deflection or deformation of the sensor flag 3 and of the membrane 4 caused by the pressure changes due to the swirl influencing the sensor flag 3 and of the optical waveguide 7 fastened to the membrane 4.
  • the optical waveguide 7 is mounted on the membrane 4 in FIG Essentially laid flat and fixed, for example, by means of a cut. Due to the deflection of the Sensor flag 3, the membrane 4 is deformed. This results in a corresponding deformation of the optical waveguide 7 and of the Fabry-Perot resonator 48 integrated in the optical waveguide 7. The consequent change in the resonance conditions of the Fabry-Perot resonator 48 results in an interference signal from which the deflection of the sensor flag 3, the frequency of the vortices in the medium and thus the flow volume can be determined.
  • FIG. 7 shows a cross section through a sensor of a vortex flowmeter.
  • the optical waveguide 7 is attached directly to the sensor flag 3.
  • the optical waveguide 7 is centrally inserted into the sensor flag 3.
  • a deflection of the sensor flag 3 shown in FIG. 6, for example, then also results in a change in the resonance conditions in the Fabry-Perot resonator 48 of the optical waveguide 7 and the flow volume of the medium flowing through the measuring tube 6 can be determined on the basis of the interference signal or the interference pattern.
  • FIG. 8 shows a cross section through a bluff body 9 of a vortex flow measuring device.
  • the optical waveguide 7 with integrated Fabry-Perot resonator 48 is integrated directly in the bluff body 9.
  • the peeling vertebrae cause the baffle 9 also
  • FIG. 9 shows a further sensor of a vortex flowmeter.
  • the sensor has two optical waveguides 7, which run inside the sensor.
  • a respective mirror element 8 is mounted, which reflects the signal transmitted by the first and second optical waveguides 7 back into the first and second optical waveguide 7, respectively.
  • the first and the second mirror element 8 are while essentially arranged diametrically opposite each other. The first and the second Spiegefelement are thereby removed by an air gap 43 of a length in the micron range from the ends of the first and second optical waveguide 7.
  • a Fabry-Perot interferometer integrated into the first and / or second optical waveguide 7 or a Fabry-Perot resonator 48 integrated in the optical waveguide may be used.
  • the first and the second optical resonator 48 are arranged substantially diametrically opposite one another at the end and are connected to the first and / or second optical waveguide 7 with the membrane 4 of the vortex flowmeter.
  • FIG. 10 shows the course of the intensity of the interference signal as a function of time.
  • the changes in length of the resonator are in the region of one-tenth of the wavelength of the light irradiated into the waveguide.
  • the intensity curve during the change in length is used to determine the frequency with which to replace the Karman 'rule vortex of the bluff body.
  • the period of time ⁇ t is measured between two intensity maxima. From the period of time, the frequency with which the Kärmän vortex detach from the bluff body can be determined.
  • the signal fed into the optical waveguide can, for example, be taken from a laser source.
  • the intensity of the interference signal can be determined by a photodiode and converted into an electrical signal.

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Abstract

Messeinrichtung zur Bestimmung einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße, insbesondere eines Volumen- und/oder Massedurchflusses, eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs, wobei die Messeinrichtung einen Messaufnehmer aufweist, wobei der Messaufnehmer mindestens einen optischen Wellenleiter aufweist, der zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung von Messsignalen dient, wobei die Aufnahme der Messsignale in den optischen Wellenleiter mittels eines Fabry-Perot Sensors erfolgt.

Description

Messeinrichtung mit einem optischem Sensor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße, insbesondere eines Volumen- und/oder Massedurchflusses, eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs.
Durchfluss-Messeinrichtungen verwenden heutzutage oftmals die Änderung der elektrischen Kapazität, der elektrischen Leitfähigkeit oder der elektrischen Spannung um den Volumen- und/oder Massendurchfluss zu bestimmen.
Eine Wirbel-Durchflussmesseinrichtung beispielsweise besteht, u.a. aus einem Staukörper der stromabwärts eine Kärmän'sche Wirbelstrasse erzeugt. Die Druckschwankungen der Wirbelstrasse werden von einer Sensorfahne erfasst. Die periodischen Druckschwankungen regen die Sensorfahne zu einer periodischen Schwingung an. Die Bewegung der Sensorfahne wird bspw. mit Hilfe eines Piezo- Sensors ausgelesen. Der Nachteil dieser Technologie liegt in der Limitierung der Betriebstemperatur des Durchflussmessgerätes bedingt durch den Auslesemechanismus und der Notwendigkeit einer Vor-Ort-Eiektronik zur Auslesung des Piezo-Sensors, die eine aufwendige Temperaturisolierung und Maßnahmen zum Explosionschutz an der Elektronik erfordern, um Betriebstemperaturen von 4000C oder mehr erreichen zu können. Es sind auch Wirbeldurchfiussmesseinrichtungen bekannt, die ohne Sensorfahne auskommen und bei denen die Druckschwankungen direkt von einem im oder am Staukörper angebrachten Messaufnehmer erfasst werden.
Coriolis-Durchflussmesseinrichtungen nutzen die durch die Masse eines Messstoffs verursachte Phasenverschiebung eines vibrierenden Messrohrs. Der Signafabgriff erfolgt üblicherweise über Tauchspuien. Diese Auslesung muss u.a. bezüglich der Temperatur kompensiert werden.
Aus der Patentschrift DE 603 11 048 T2 ist ein Verfahren zur Hersteilung eines faseroptischen Fabry-Perot Interferometers bekannt geworden. Das Interferometer besteht dabei aus einem Paar gegenüberliegender optischer Faserendflächen, das auf einem Trägermaterial aufgebracht ist. Aus der Patentschrift DE 692 26 446 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, die mittels einer Optäkfaser die Oszillationen eines Coriolis-Massenströmungs-Messgerätes aufnimmt. Dafür wird die Schwächung bzw. das Ausmaß der Schwächung eines optischen Signals genutzt, das sich durch das Verbiegen der Optikfaser ergibt.
Weiterhin ist aus der DE 41 22 799 A1 eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines Fluids bekannt geworden, die einen Wandler aufweist, der wiederum einen stabförmigen Ansatz aufweist. Der stabförmige Ansatz sorgt für die Modulation eines über einen optischen Wellenleiter übertragenen optischen Signals.
Solche Anordnungen und Herstellungsverfahren sind aufgrund der erforderlichen Präzision im Aufbau der Messapparatur bzw. aufgrund der Gefahr einer Verschmutzung und/oder Beschädigung zeitaufw ndig und teuer.
Zur Detektion von Längenänderungen ist es möglich verschiedene optische Verfahren zu nutzen. Bekannte Verfahren beruhen dabei auf interferometrischer Basis. Beispielsweise kann mitteis UV-Lithographie ein Bragg-Gitter innerhalb einer optischen Faser realisiert werden. Bei diesem Verfahren wird Licht breitbandig in den Wellenleiter eingestrahlt. Das Bragg-Gitter erzeugt bei einer definierten Wellenlänge einen Bragg- Reflex. Diese Wellenlänge hängt von Temperatur und Längenausdehnung gleichermaßen stark ab. Somit ist es bei diesem Verfahren nicht ohne weiteres möglich zwischen temperaturbedingten und längenänderungsbedingten Effekten zu unterscheiden.
Sämtliche genannten Messeinrichtungen weisen den Nachteil auf, dass sich bei höheren Temperaturen eine Verformung des optischen Resonators bzw. der optischen Reflektionsflächen einstellt oder der Messaufnehmer sogar vollständig zerstört wird.
Neuerdings sind fiber-optische Sensoren bekannt geworden, die auch bei Temperaturen um 800 0C funktionieren und somit den thermischen Einsatzbereich bisher bekannter Sensoren um mehrere hundert Grad Celsius übersteigen. Zur Herstellung solcher Sensoren wird ein Fabry-Perot Resonator mittels eines Lasers in eine optische Faser mikrogefertigt. Die durch die Fertigung der Lücke an den Enden des optischen Wellenleiters entstandenen Facetten haben spiegelähnliche Eigenschaften. Die Temperaturunabhängigkeit ergibt sich daraus, dass der so gefertigte Kern der optischen Faser sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt und die beiden Resonanzflächen näher zusammendrückt Gleichzeitig dehnt sich der Mantel (cladding) der optischen Faser aus und zieht die Resonanzflächen auseinander. Diese beiden Effekte überlagern sich und resultieren in einer kleinen, jedoch zufälligen
Temperaturabhängigkeit (vgl. Optics Letters, Nov. 1 , 2007, pp. 3071-3073; Photonics Spectra, December 2007 „To boldiy go where no sensor has gone before").
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs vorzuschlagen, welche präzise und auch bei hohen Temperaturen zuverlässig funktioniert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung einen Messaufnehmer aufweist, wobei der Messaufnehmer mindestens einen optischen Wellenleiter aufweist, der zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung von Messsignaien dient, wobei die Aufnahme der Messsignale in den optischen Wellenleiter mittels eines Fabry-Perot Sensors erfolgt. Ein Fabry-Perot Sensor besteht zumeist aus einem Interferometer aus zwei insbesondere planparallelen Spiegeln hoher Reflektivität, die miteinander einen optischen Resonator bilden und für eine in den Resonator eingestrahlte elektromagnetische Wellenlänge teildurchlässig sind. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die in den optischen Wellenleiter aufgenommenen und übertragenen Messsignale aufgrund des Fabry-Perot Sensors im Wesentlichen unabhängig von externen mechanischen und/oder thermischen Einflüssen sind. Folglich sind für eine Auswertung der Messsignale hauptsächlich die Eigenschaften des optischen
Wellenleiters relevant. Umgebungsbedingte Störeffekte können aufgrund der optischen Aufnahme und Übertragung des Messsignals minimiert werden. Durch die vergleichsweise geringe Ausdehnung des Fabry-Perot Sensors können die Messsignale an einer genau definierten Stelle in den optischen Wellenleiter aufgenommen werden. Der erfindungsgemäße Messaufnehmer ermögiicht daher eine genauere Bestimmung der Messgröße. Die Messeinrichtung kann zudem bei widrigen Umgebungsbedingungen, wie bspw. hohen Temperaturen oder in explosionsgefährdeten Bereichen zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung eines Messsignals eingesetzt werden. Die Messsignale können auch direkt durch den optischen Wellenleiter erzeugt werden, indem der optische Wellenleiter bspw. in die Rohrleitung eingebracht und dem strömenden Messstoff ausgesetzt wird. Bei den Messsignalen handelt es sich um bspw. aufgrund von Druckschwankungen oder aufgrund von Vibrationen auftretende Längenänderungen.
In einer Ausgestaltung besteht der Fabry-Perot Sensor wenigstens teilweise aus dem optischen Wellenleiter. Beispielsweise kann ein Spiegel des Fabry-Perot Interferometers aus einer spiegelnden Oberfläche eines Endes einer optischen Glasfaser bestehen. Der Messaufnehmer kann dadurch besonders platzsparend ausgestaltet werden.
In einer Ausführungsform ist der Fabry-Perot Sensor in den optischen Wellenleiter eingebaut. Dafür wird das Fabry-Perot Interferometer bspw. in den Verlauf des optischen Wellenleiters eingebaut, indem eine Lücke zwischen zwei Endflächen des optischen Wellenleiters gefertigt wird.
In einer Ausgestaltung weist der Fabry-Perot Sensor einen optischen Resonator auf, der vollständig in den optischen Wellenleiter eingebaut ist. Der optische Wellenleiter kann dabei insbesondere aus einer optischen Faser oder aus einem Bündel optischer Fasern bestehen. Zum Signalabgriff und zur Signalübertragung, insbesondere eines Messsignais, lassen sich heutzutage optische Wellenleiter bspw. in Form von Fasern verwenden. Dabei bietet die Signalübertragung mittels Lichtwellen durch optische Fasern gegenüber der elektrischen Signalübertragung zahlreiche Vorteile. So unterliegen optische Signale keinen elektrischen Störeinflüssen, sind sicher gegenüber einer leicht entzündlichen Umgebung und im Einbau sehr kompakt. Mittels optischen Wellenleitern sind große Entfernungen zwischen Messaufnehmer und Messwandiertechnik realisierbar. Die Verbindung ist dabei unempfindlich auf elektromagnetische Störungen und kann explosionssicher verlegt werden.
Die Kombination von Fabry-Perot Interferometer und einem optischen Wellenleiter ermöglicht den Einsatz einer Fabry-Perot basierten Längenmessung zur Bestimmung einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs. Die geringe Temperaturabhängigkeit der Längenmessung und die hohe Temperaturresistenz des optischen Wellenleiters sowie die Möglichkeit nur noch Licht mit geringer Energie in die explosionsgeschützten Bereiche eines Prozesses transportieren zu müssen, ermöglicht die Herstellung von Produkten mit deutlichen Vorteilen. Der optische Weifenleiter kann dabei aus einem Glas und/oder einem Kunststoff bestehen.
Eine Vor-Ort-Elektronik wie beim Prinzip des Piezo-Eiements ist nicht notwendig. Daher entfallen die aufwendigen Maßnahmen zur Wärmeisolierung der Elektronik und bedingt durch die Eigenschaften des optischen Wellenleiters ist es möglich der Messgröße entsprechende Rohsignale aus dem explosionsgeschützten Bereich herauszuführen. Weiterhin erübrigen sich umfangreiche Maßnahmen für den Explosionsschutz.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der optische Weiienleiter einen Kern und einen Mantel auf, und der optische Resonator besteht aus wenigstens einer Lücke im Kern des optischen Wellenleiters. Die Lücke besteht bspw. aus einem Luftspalt. Die Lücke kann auch im Mantel des optischen Weilenleiters vorhanden sein und diametral durch den optischen Wellenleiter verlaufen, insbesondere wenn der optische Wellenleiter aus einem Faserbündel besteht, kann es sich bei dem Mantel um einen Bereich um den Kern des Wellenleiters handeln, welcher einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Kern des optischen Wellenleiters. Weiterhin kann der optischen Wellenleiter von einer Schutzisolierung umgeben sein.
In einer Ausführungsform ist der optische Wellenleiter ein optischer Einzel-Moden- Wellenleiter, insbesondere eine Einzel-Moden-Glasfaser. Die Enden optischer Glasfasern können teilweise spiegelnde Oberflächen besitzen. Durch eine Lücke zwischen zwei Enden einer optischen Glasfaser, die spiegelnde Oberflächen aufweisenden, kann ein optischer Resonator gebildet werden. Ein Ändern des Abstands zwischen den Enden der optischen G!asfaser(n) ändert die Stärke der Intensität aufgrund der sich Ändernden Interferenzbedingungen im Resonator. Auf diese Art kann ein einfacher und robuster Fabry-Perot Sensor hergestellt werden.
In einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung eine Wirbeidurchflussmesseinrichtung mit einem entlang eines Durchmessers der Rohrleitung angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit der Rohrleitung verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient und/oder mit einer Sensorfahne zur Aufnahme von, von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen. Durch das Verwenden des in den optischen Wellenleiter integrierten Fabry-Perot Interferometers wird eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus der Wirbeidurchflussmesseinrichtung erreicht.
In einer Ausgestaltung ist der Staukörper und/oder die Sensorfahne von außen durch eine Bohrung in der Messrohrwand hindurch eingesetzt und der Staukörper und/oder die Sensorfahne umfasst eine die Bohrung bedeckende Membran. Der optische Wellenleiter mit integriertem Fabry-Perot Interferometer kann bspw. an der Membran befestigt und dadurch auf eine Sensorhüfse zur Aufnahme des Messsignals verzichtet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der optische Wellenleiter mit dem Staukörper und/oder der Sensorfahne und/oder der Membran mechanisch gekoppelt und reagiert auf Bewegungen des Staukörpers, der Sensorfahne bzw. der Membran durch eine Längenänderung. Durch das in den optischen Wellenleiter integrierte Fabry-Perot Interferometer können somit die am Staukörper und/oder an der Sensorfahne auftretenden Längenänderungen erfasst werden.
In einer Ausgestaltung ist der optische Wellenleiter so mit dem Staukörper und/oder mit der Sensorfahne verbunden, dass die Kärmän'schen Wirbel Längenänderungen des optischen Wellenleiters erzeugen. Die Längenänderung des optischen Wellenleiters bewirkt wiederum eine Änderung der Resonanzbedingungen im optischen Resonator des Fabry-Perot Interferometers.
In einer Weiterbildung ist aus einem Interferenzmuster, welches aus der Intensität des durch den optischen Wellenleiter übertragenen Messsignals abgeleitet ist, die Frequenz bestimmbar, mit der sich die Kärmän'schen Wirbel vom Staukörper ablösen. Die Intensität des durch den optischen Wellenleiter übertragenen Messsignals kann bspw. mittels eines Photosensor oder Photodetektors, insbesondere einer Photodiode, bestimmt werden. Aus dem Interferenzmuster kann dann der Volumendurchfiuss bestimmt werden. Dazu wird bspw. mindestens eine Zeitspanne zwischen zwei im zeitlichen Verlauf der Intensität des Messsignals auftretenden Intensitätswerten, insbesondere zwischen im Wesentlichen gleichen I ntensitäts werten, ermittelt. Bei den Intensitätswerten handelt es sich vorzugsweise um das Intensitätsmaxtmum. Besonders bevorzugt handelt es sich um im Wesentlichen gleiche Intensitätswerte, die jedoch bei unterschiedlichen Längen des Resonators, insbesondere bei einer Längenänderung des Resonators um ein vielfaches der halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, auftreten. Ein Intensitätsmaximum tritt immer dann auf, wenn die Länge d des Resonators im Wesentlichen ein Vielfaches der Hälfte Wellenlänge λ der in den optischen Wellenleiter eingestrahlten elektromagnetischen Welle beträgt. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz, mit der sich die Karmän'schen Wirbel vom Staukörper lösen und der ermittelten Zeitspanne kann bspw. durch eine Kalibrierung hergestellt werden. Abhängig von der Frequenz der Ablösung der Wirbel von dem Staukörper, also der Durchffussgeschwindigkeit des Messstoffs, ändert sich auch die Zeitspanne zwischen zwei Intensitätswerten im zeitlichen Verlauf der Intensität.
In einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung eine Coriolis- Massedurchflussmesseinrichtung mit mindestens einem im Messbetrieb vibrierenden Messrohr, und der optische Wellenleiter ist mechanisch mit dem Messrohr gekoppelt und der optische Weilenleiter reagiert auf Vibrationen des Messrohrs durch eine Längenänderung. Damit lassen sich die Vibrationen des Messrohrs hochgenau und auch weitestgehend unabhängig von den Umgebungsbedingungen bestimmen. Dafür wird der optische Wellenleiter mit integriertem Fabry-Perot interferometer so am Messrohr fixiert, dass das zu Vibrationen angeregte Messrohr eine Längenänderung des optischen Wellenleiters bzw. des darin integrierten Fabry-Perot Resonators erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform ist aus einem Interferenzmuster, welches aus der Intensität des durch den optischen Wellenleiter übertragenen Messsignals abgeleitet ist, die Frequenz der Vibrationen des Messrohrs bzw. im Falle zweier Messrohre die Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Frequenzen der beiden Messrohre bestimmbar. Dafür wird bspw. zwischen Intensitätsmaxima und -minima unterschieden und auf diese Weise eine Auflösung der Längenänderung des in dem optischen Wellenleiter enthaltenen Resonators bis zu einem Viertel der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts erreicht.
In einer Ausführungsform ist zur Bestimmung der Intensität des Messsignals und/oder des interferenzmusters mindestens eine Photodiode vorgesehen, die ein elektrisches, dem Messsignal entsprechendes Signal erzeugt. Die Photodiode dient der Erzeugung eines elektrischen Signals aus dem in den optischen Wellenleiter eingeleiteten bzw. ausgeleiteten Lichts. Durch die Photodiode kann das Interferenzmuster in ein elektrisches Signal umgewandelt werden und an eine Auswerteeinheit übermittelt werden.
Die Erfindung betrifft ein optisches Auswerteverfahrens zur Detektion kleiner Längenänderungen im Messaufnehmer einer Durchflussmesseinrichtung, erzeugt durch den Durchfluss von im Wesentlichen flüssigen und/oder gasförmigen Messstoffen, insbesondere basierend auf dem Prinzip der Wirbeldurchfluss- und Coriolismessung.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen aus dem Stand der Technik bekannten Messaufnehmer einer Wirbeldurchflussmessetnrichtung mit kapazitivem Signalabgriff,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Messaufnehmers einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung mit einem optischen Signalabgriff und
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines an der Sensorhülse befestigten optischen Wellenleiters mit einem integrierten Fabry-Perot Interferometer,
Fig. 4: den schematischen Aufbau eines in einen optischen Wellenleiter integrierten Fabry-Perot Interferometers,
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines an die Membran einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung angebrachten optischen Wellenleiters mit integriertem Fabry-Perot Interferometer,
Fig. 6: schematisch und nicht maßstäblich die ausgelenkte Membran und den an der Membran angebrachten optischen Wellenleiter mit integriertem Fabry-Perot Interferometer, Fig. 7: eine schematische Darstellung eines an bzw. in der Sensorfahne befestigten optischen Wellenleiters mit integriertem Fabry-Perot Interferometer,
Fig. 8: eine schematische Darstellung eines an dem Staukörper einer 5 Wirbeldurchflussmesseinrichtung befestigten optischen Wellenleiters mit integriertem Fabry-Perot interferometer,
Fig. 9: eine schematische Darstellung eines ersten und zweiten mit der Membran einer Sensorfahne verbundene optische Wellenleiters, und
I O
Fig. 10: einen zeitlichen Verlauf der Intensität eines Interferenzsignais.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch den Messaufnehmer einer aus dem Stand der Technik bekannten Wirbeldurchflussmesseinrichtung.
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Die am Staukörper, nicht gezeigt, gebildeten Wirbel erzeugen in der Strömung lokale Druckschwankungen, die über einen Sensor abgegriffen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Der Sensor ist entweder im Staukörper 9 integriert oder befindet sich wie die in Figur 1 gezeigte Sensorfahne 3 unmittelbar hinter dem Staukörper 9. 0
Periodisch auftretende Wirbeldruckschwankungen üben Kräfte auf die paddeiförmige Sensorfahne 3 hinter dem Staukörper 9 aus. Dieses Paddel überträgt die Bewegung auf eine hüisenartige Mittelelektrode, welche mit der in zwei Halbschalen 10a, 10b geteilten Außenelektrode die Kapazitäten C1 und C2 bildet. Durch die Änderung der Spaltweite 5 entsteht eine periodisch variierende und zur Wirbeldruckfrequenz proportionale Kapazitätsänderung, die in der nachgeschaiteten Messelektronik, nicht gezeigt, ausgewertet wird.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Messaufnehmer einer erfindungsgemäßen0 Wirbeldurchflussmesseinrichtung 1 , insbesondere durch die paddeiförmige
Sensorfahne 3. Die Auslenkungen der Sensorhülse 2 werden durch ein Fabry-Perot Interferometer erfasst. Das Fabry-Perot Interferometer besteht aus einem Spiegelefement 8 und einem Ende des optischen Wellenleiters 7. Das Spiegelelement 8 und das Ende des optischen Wellenleiters bilden einen optischen Resonator. Dafür ist ein optischer Wellenleiter 7 in Form einer optischen Faser durch die gehäusebildende Wandung 5 des Messaufnehmers geführt. Auf der Sensorhülse 2 ist zudem ein Spiegelelement 8 angebracht, welches das durch den optischen Wellenleiter 7 übertragene Signal reflektiert. Eine Auslenkung der Sensorhülse 2 hat eine Änderung des Abstands zwischen Spiegelelement 8 und optischem Wellenleiter 7 zur Folge. Dadurch verändern sich die Interferenzbedingungen des Resonators. Folglich ändert sich die Intensität des durch den optischen Weflenfeiter 7 übertragenen optischen Signals. Die Bedingung für konstruktive Interferenz an den Abstand d zwischen optischem Wellenleiter 7 und Spiegeielement 8 entspricht: 2d = Nλ , wobei N eine positive ganze Zahl und λ die Wellenlänge der in den optischen Wellenleiter 7 eingestrahlten elektromagnetischen Welle ist.
Durch die Reflektion am Spiegelelement 8 wird das optische Signal in den optischen Wellenleiter 7 zurückgeworfen und überlagert sich so mit dem ursprünglich eingespeisten Signal. Das so gebildete Interferenzsignal kann über eine Photo-Diode, nicht gezeigt, erfasst werden, auf welche das interferenzsignal projiziert wird. Dafür wird das optische Signal nachdem es an dem Spiegeleiement 8 reflektiert wurde, wieder durch den optischen Wellenleiter 7 zurückgeleitet. Das optische Signa! ändert daher abhängig von den Resonanzbedingungen seine Intensität. Diese Änderung kann als Funktion der Zeit dargestellt werden. Das so erhaltene Interferenzmuster entspricht nicht direkt der Bewegung des an der Sensorhülse 2 angebrachten Spiegelelements 8, sondern dem Durchlauf des Abstandes d zwischen dem offenen Ende des optischen Wellenleiters 7 und dem Spiegelelement 8 durch Entfernungen die zu konstruktiver bzw. zu destruktiver Interferenz führen. Durch das Zählen der Intensitätsmaxima und/oder -minima lässt sich so die Amplitude der Auslenkung bspw. der hier gezeigten Sensorhülse 2 bestimmen. Durch das unterscheiden zw. Intensitätsmaximum und intensitätsminimum kann eine Auflösung von bis zu einem viertel der Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichts erreicht werden. Die Wellenlänge des dabei durch den optischen Wellenleiter 7 übertragenen elektromagnetischen Signals kann über den optischen Wellenlängenbereich hinaus, sowohl im ultravioletten als auch im infraroten Wellenlängenbereich liegen. Ais optischer Wellenleiter 7 kann bspw. ein Kern (core) 42 aus einer Glasfaser mit einem Mantel (cladding) 41 und/oder einer Schutzbeschichtung (coating) aus Kunststoff dienen.
Figur 2 enthält eine vergrößerte Darstellung des optischen Resonators 48. Der Resonator 48 besteht aus der spiegelnden Oberfläche des Endes des optischen Wellenleiter 7 und dem Spiegeieiement 8. Der optische Wellenleiter 7 ist an oder in der Wandung 5 des Messaufnehmers befestigt. Gegenüber dem Ende des optischen Wellenleiters 7 ist auf der Sensorhülse 2 ein Spiegelelement 8 aufgebracht, welcher das aus dem optischen Wellenleiter 7 austretende Licht zurück in den optischen Wellenleiter 7 reflektiert.
Figur 3 zeigt einen optischen Wellenleiter 7 mit einem integrierten Fabry-Perot Interferometer. Der optische Wellenleiter 7 ist wenigstens an der Sensorhülse 2 und einer den Wirbeldurchflussmessaufnehmer umgebenden Wandung 5 fixiert. Der Fabry- Perot Resonator 48 ist zwischen der Fixierung an der Sensorhülse 31 und der Fixierung an der Wandung angeordnet. Der Resonator wird durch zwei Endflächen gebildet, die durch die Mikrofertigung spiegelähnliche Eigenschaften haben. Im Bereich der Sensorhülse 2 ist der optische Wellenleiter bspw. durch eine Klebung an der Sensorhülse 2 fixiert. Der Resonator 48 des Fabry-Perot Interferometers ist dabei in die optische Faser des Wellenleiters 7 integriert. Der Resonator 48 weist typischerweise eine Länge von 10 bis 100 μm auf. Eine Auslenkung der Sensorfahne 3 bewirkt eine entsprechende Auslenkung der Sensorhüise 2 und hat eine Dehnung und/oder Stauchung des optischen Wellenleiters 7 zur Folge. Dadurch ändern sich die Ausdehnung und die Resonanzbedingung des Resonators 48 und es bildet sich ein Interferenzsignal im optischen Wellenleiter 7 aus.
Aufgrund der Kopplung des Fabry-Perot Interferometers an die Sensorhülse, werden die Bewegungen der Sensorhülse auf den Resonator 48 übertragen. Der Resonator ändert daher die Resonanzbedingungen in Abhängigkeit der Bewegung der
Sensorhülse. Die Länge des Resonators 48 kann im Bereich des 10-fachen bis 100- fachen der Wellenlänge des in den optischen Wellenleiter eingestrahlten Lichts gewählt werden. Eine Längenänderung des Resonators 48 hingegen liegt im Bereich eines Zehnteis der Länge des Resonators. Bei einer Längenänderung des Resonators von annähernd einem Zehnte! seiner Länge, können demnach bis zu einhundert intensitätsmaxima auftreten.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in den optischen Wellenleiter 7 integrierten Fabry-Perot Interferometers. Der optische Wellenleiter 7 besteht dabei aus einem
Mantel (cladding) 41 und einem Kern (core) 42. Zudem ist der optischen Wellenleiter 7 von einer Schutzbeschichtung (coating), nicht gezeigt, umgeben. Der Kern 42 besteht dabei bspw. aus einer Glasfaser. Dieser Kern 42 ist von dem Mantel 41 bspw. ebenfalls Glasfasern mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben. Die Lücke im Kern 42 wird bspw. mittels eines Lasers mikrogefertigt. Durch die so entstandenen Endflächen 44 der optischen Fasern wird ein Fabry-Perot Resonator 48 gebifdet. Die Endflächen 44 des Resonators 48 haben spiegelähnliche Eigenschaften. Die mittels des Lasers mikrogefertigte Lücke muss sich nicht auf den Kern 42 beschränken sondern kann auch teilweise in dem Mantel 41 des optischen Wellenleiters 7 bestehen.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung mit einem optischen Wellenleiter 7 mit integriertem Fabry-Perot Interferometer. Der optische Wellenleiter 7 ist dabei an der Membran 4 des Messaufnehmers befestigt. Ein Ende des optischen Wellenleiters 7 ist mit der Wandung 5 des Messaufnehmers verbunden. Der Fabry-Perot Resonator 48 befindet sich zwischen der Wandung 5 des Messaufnehmers und der Sensorfahne 3 auf der Membran 4. Der optische Wellenleiter 7 liegt dabei im Bereich der Membran 4 im Wesentlichen plan auf der Membran 4 auf. In Figur 5 ist der optische Wellenleiter 7 auf Höhe der Membran 7 durch die Wandung 5 des Messaufnehmergehäuses des Wirbeldurchflussmessgerätes geführt und mit einer Auswerteeinheit, nicht gezeigt, verbunden. Es ist auch möglich den optischen
Wellenleiter 7 durch das Lumen 21 der Messeinrichtung 1 nach außen zu führen. Bei der in Figur 5 gezeigten Messeinrichtung 1 kann auf eine Sensorhülse 2 zur Aufnahme der Messsignale verzichtet werden.
Figur 6 zeigt nicht maßstabsgetreu eine durch die Druckänderungen aufgrund der die Sensorfahne 3 beeinflussenden Wirbel entstehende Ausienkung bzw. Verformung der Sensorfahne 3 und der Membran 4, sowie des auf der Membran 4 befestigten optischen Wellenleiters 7. Der optische Wellenleiter 7 ist auf der Membran 4 im Wesentlichen plan aufgelegt und bspw. mittels einer Kiebung fixiert. Durch die Auslenkung der Sensorfahne 3 wird die Membran 4 verformt. Dies hat eine entsprechende Verformung des optischen Wellenleiters 7 und des in dem optischen Wellenleiter 7 integrierten Fabry-Perot Resonators 48 zur Folge. Die dadurch bedingte Änderung der Resonanzbedingungen des Fabry-Perot Resonators 48 lassen ein Interferenzsignal entstehen aus welchem sich die Auslenkung der Sensorfahne 3, die Frequenz der Wirbel im Messstoff und somit das Durchflussvolumen Bestimmen lassen.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Messaufnehmer eines Wirbeldurchflussmessgerätes. Der optische Wellenleiter 7 ist direkt mit der Sensorfahne 3 befestigt. Der optische Wellenleiter 7 ist mittig in die Sensorfahne 3 eingebracht. Eine bspw. in Figur 6 gezeigte Auslenkung der Sensorfahne 3 dann ebenfalls zu einer Änderung der Resonanzbedingungen im Fabry-Perot Resonator 48 des optischen Wellenleiters 7 und das Durchflussvolumen des das Messrohr 6 durchströmenden Messstoffs fässt sich aufgrund des Interferenzsignals bzw. des Interferenzmusters bestimmen.
Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch einen Staukörper 9 einer Wirbeidurchflussmesseinrichtung. Zur Aufnahme des Messsignals ist der optische Wellenleiter 7 mit integriertem Fabry-Perot Resonator 48 direkt im Staukörper 9 integriert. Die sich ablösenden Wirbel verursachen am Staukörper 9 ebenfalls
Auslenkungen ähnlich denen der Sensorfahne 3. Diese Auslenkungen des Staukörpers 9 lasen sich ebenfalls mittels des in den optischen Wellenleiter 7 integrierten Fabry- Perot Interferometers detektieren. Die Befestigung des optischen Wellenleiters 7 und das Auslesen des Messsignals erfolgt dabei analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
Figur 9 zeigt einen weiteren Messaufnehmer eines Wirbeldurchflussmessgerätes. Der Messaufnehmer weist zwei optische Wellenleiter 7 auf, welche innerhalb des Messaufnehmers verlaufen. Auf der Membran 4 ist gegenüber einem Ende des ersten und des zweiten optischen Wellenleiters jeweils ein Spiegelelement 8 angebracht, der das durch den ersten bzw. zweiten optischen Wellenleiter 7 übertragene Signal zurück in den ersten bzw. zweiten optischen Wellenleiter 7 reflektiert. Dadurch wird eine Redundanz der Signale erreicht und etwaige in einem Signalpfad auftretende Störungen können erkannt werden. Das erste und das zweite Spiegelelement 8 sind dabei im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet. Das erste bzw. der zweite Spiegefelement sind dabei durch einen Luftspalt 43 von einer Länge im μm-Bereich von den Enden des ersten bzw. zweiten optischen Wellenleiter 7 entfernt.
Alternativ kann ein in den ersten und/oder zweiten optischen Wellenleiter 7 integriertes Fabry-Perot Interferometer bzw. ein in den optischen Wellenleiter integrierter Fabry- Perot Resonator 48 verwendet werden. Dafür sind der erste und der zweite optische Resonator 48 endseitig im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet und mit der erste und/oder zweite optische Wellenleiter 7 mit der Membran 4 des Wirbeidurchflussmessgerätes verbunden.
Figur 10 zeigt den Verlauf der Intensität des Interferenzsignals als Funktion der Zeit. Wie bereits erwähnt, liegen die Längenänderungen des Resonators im Bereich eines Zehntels der Wellenlänge des in den Wellenleiter eingestrahlten Lichts. Der Intensitätsverlauf während der Längenänderung dient zur Bestimmung der Frequenz mit der sich die Kärmän'schen Wirbel vom Staukörper ablösen. Dafür wird die Zeitspanne At zwischen zwei Intensitätsmaxima gemessen. Aus der Zeitspanne kann die Frequenz, mit der sich die Kärmän'schen Wirbel vom Staukörper ablösen, bestimmt werden.
Das in den optischen Wellenleiter eingespeiste Signal kann bspw. einer Laser-Quelle entnommen werden. Die Intensität des Interferenzsignals kann durch eine Photodiode bestimmt und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Bezugszeichenliste
Wirbeldurchflussmesseinrichtung
Sensorhüise
Sensorfahne
Membran
Wandung
Messrohr
Optischer Wellenleiter
Spiegelelement
Staukörper a Halbschale b Halbschale
Lumen
Fixierung an der Sensorhüfse
Mantel (cladding)
Kern (core)
Luftspalt
Endfläche
Resonator
Zeitspanne zwischen zwei Intensitätsmaxima

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung zur Bestimmung einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße, insbesondere eines Volumen- und/oder Massedurchflusses, eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs, wobei die Messeinrichtung einen Messaufnehmer aufweist, wobei der Messaufnehmer mindestens einen optischen Wellenleiter (7) aufweist, der zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung von Messsignalen dient, wobei die Aufnahme der Messsignale in den optischen Weiienleiter (7) mittels eines
Fabry-Perot Sensors erfolgt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fabry-Perot Sensor wenigstens teilweise aus dem optischen Wellenleiter besteht.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Fabry-Perot Sensor einen optischen Resonator (48) aufweist, der vollständig in den optischen Wellenleiter (7) eingebaut ist.
4. Messeinrächtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (7) einen Kern (42) und einen Mantel (41 ) aufweist, und dass der optische Resonator (7) aus wenigstens einer Lücke im Kern (42) des optischen Wellenleiters (7) besteht.
5. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (7) ein optischer Einzel-Moden-Welienleiter, insbesondere eine Einzel-Moden-Glasfaser, ist.
6. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Wärbeldurchflussmesseinrichtung (1 ) mit einem entlang eines Durchmessers der Rohrleitung angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit der Rohrleitung verbundenen Staukörper (9), der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient und/oder mit einer Sensorfahne (3) zur Aufnahme von, von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen ist.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (9) und/oder die Sensorfahne (3) von außen durch eine Bohrung in der Messrohrwand hindurch eingesetzt ist und dass der Staukörper (9) und/oder die Sensorfahne (3) eine die Bohrung bedeckende Membran (4) umfasst.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (7) mit dem Staukörper (9) und/oder der Sensorfahne (3) und/oder der Membran (4) mechanisch gekoppelt ist und auf Bewegungen des Staukörpers (9), der Sensorfahne (3) bzw. der Membran (4) durch eine Längenänderung reagiert.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Interferenzmuster, welches aus der Intensität des durch den optischen Wellenleiter (7) übertragenen Messsignals abgeleitet ist, die Frequenz bestimmbar ist, mit der sich die Kärmän'schen Wirbel vom Staukörper (9) ablösen.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Corioläs-Massedurchflussmesseinrichtung mit mindestens einem im Messbetrieb vibrierenden Messrohr ist, und dass der optische Wellenleiter (7) mechanisch mit dem Messrohr gekoppelt ist und dass der optische Wellenleiter (7) auf Vibrationen des Messrohrs durch eine Längenänderung reagiert.
11. Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Interferenzmuster, welches aus der Intensität des durch den optischen Welienleiter (7) übertragenen Messsignals abgeleitetet ist, die Frequenz der Vibrationen des Messrohrs bzw. im Falle zweier Messrohre die Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Frequenzen der beiden Messrohre bestimmbar ist.
12. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Intensität des Messsignals und/oder des Interferenzmusters mindestens eine Photodiode vorgesehen ist, die ein elektrisches, dem Messsignal entsprechendes Signal erzeugt.
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