DE3142164A1

DE3142164A1 - Vorrichtung zur messung von druckunterschieden

Info

Publication number: DE3142164A1
Application number: DE19813142164
Authority: DE
Inventors: James Stewart Aldwick Bognor Regis Sussex Johnston
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1980-10-27
Filing date: 1981-10-23
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS57108633A; US4428239A; JPH021251B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Druckunterschieden. Ein zu diesem Zweck bekannter Typ eines Wandlers enthält ein Gehäuse und eine im Gehäuse angebrachte flexible Membran, die als Funktion eines zu messenden/ quer . zur Membran wirkenden Druckunterschieds relativ zum Gehäuse verschiebbar oder ablenkbar ist. Der Grad der Verschiebung der Membran hängt vom Druckunterschied ab. Bei einem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Verschiebung der Membran wird nach dem Kapazitätsprinzip gearbeitet/ wobei die Membran eine bewegliche Platte eines Kondensators bildet. Ein Beispiel eines kapazitativen Differentialdruckwandlers ist in der GB-PS 13 18 780 beschrieben.

Es ist ferner bekannt/ sehr kleine Lageveränderungen oder Verschiebungen auf optischem Weg zu messen. Bei den bekannten optischen Verfahren wird gewöhnlich monochromatisches Licht verwendet, um Interferenzstreifen zu bilden, die durch Reflexion an zwei nichtparallelen Oberflächen erzeugt werden. Der Abstand zwischen den Interferenzstreifen kann zur Bestimmung des Winkels zwischen den beiden Oberflächen verwendet werden, und die Bewegung der Streifen gibt einen Anhaltspunkt für die Verschiebung der einen Oberfläche gegenüber der anderen. Diese konventionelle monochromatische Interferometrie ergibt jedoch kein absolutes Maß für die Abstände zwischen zwei Oberflächen. In der europäischen Patentanmeldung 80 100 313 (Veröffentlichungsnummer 0013974) ist die Verwendung eines Fabrey-Perot-Interferometers zur Messung kleiner Abstände beschrieben. Bei dieser Anordnung wird weißes Licht durch optische Fasern über einen Zwischenraum zwischen zwei genau parallel ausgerichteten teilreflektierenden Oberflächen geleitet. Es ist angegeben, daß nur diejenigen Wellenlängen des Lichts, die einem Vielfachen der halben Wellenlängen der Spaltbreiten des Fabrey-Perot-Sensors entsprechen, zu einer Detektoreinrichtung geleitet werden. Der Detektor verteilt das hindurchgegangene Licht mittels eines Prismas auf eine Reihe von Photodetektoren, so daß die Wellenlängen der Maxima im Transmissionsspektrum bestimmt werden können. Auf diese Weise kann nur der Abstand

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zwischen den reflektierenden Oberflächen des Interferometers gemessen werden.

Weiterhin ist in der GB-PS 11 68 971 ein Fabrey-Perot-Interferometer zur Messung des Abstandes zwischen parallelen teilreflektierenden Oberflächen beschrieben. Bei dieser Anordnung ist das zur Beleuchtung des Interferometers dienende Licht zwar monochromatisch, doch fährt die Frequenz zwischen einer ersten und einer zweiten Frequenz hin und her. Wenn sich die Frequenz ändert, ändert sich auch das Interferenzstreifenmuster im Interferometer entsprechend, und der Abstand zwischen den Oberflächen kann durch Auszählen der Änderungen im Interferenzmuster an der Position einer einzigen Photozelle bestimmt werden.

Weder die in der europäischen Patentanmeldung 0013974 noch die in der GB-PS 11 68 971 beschriebenen Anordnungen können für Differentialdruckwandler vom Typ der beweglichen Membran verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung von Druckunterschieden, die einen Wandler mit einem Gehäuse und einer im Gehäuse angebrachten Membran enthält, die als Funktion eines zu messenden, quer zur Membran wirkenden Druckunterschieds relativ zum Gehäuse verschiebbar ist, wobei die Verschiebung die Druckdifferenz anzeigt; die Vorrichtung enthält ferner eine Einrichtung zur Messung der. Verschiebung der Membran und ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Oberflächenbereich der Membran reflektierend ist und daß die Meßeinrichtung eine teilreflektierende Oberfläche enthält, die am Gehäuse angrenzend an den Oberflächenbereich der Membran angebracht ist und damit eine Interferometeranordnung bildet. Die Vorrichtung ist weiterhin gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit deren Hilfe Licht zu dem reflektierenden Bereich der Membran durch die teilreflektierende Oberfläche geleitet werden kann, um die Interferometeranordnung zu beleuchten und um eine Interferenz

zwischen dem durch die Membran reflektierten Licht und dem durch die teilreflektierende Oberfläche reflektierten Licht zu erzeugen, wobei das zur Beleuchtung dienende Licht entweder ein vorbestimmtes kontinuierliches Frequenzband oder eine einzige Frequenz hat, die das Frequenzband periodisch durchläuft; eine Detektoreinrichtung, die auf das interferierende reflektierte Licht anspricht und ein Ausgangssignal der Amplitudenänderung in Beziehung zur Frequenz des interferierenden reflektierten Lichts innerhalb dieses Frequenzbandes erzeugt; und eine Einrichtung zur Verarbeitung der durch die Verschiebung der Membran bedingten Ausgangssignale.

Diese Anordnung ermöglicht eine absolute Messung des Abstandes zwischen dem reflektierenden Oberflächenbereich der Membran und der im Gehäuse des Wandlers fixierten teilreflektierenden Oberfläche. Auf diese Weise kann durch geeignete Eichurg der Vorrichtung der Druckunterschied quer zur Membran bestimmt werden. Bekanntlich tritt eine Interferenz zwischen dem durch die Membran reflektierten und durch die teilreflektierende Oberfläche zurückkommenden Licht und dem ursprünglich an der teilreflektierenden Oberfläche reflektierten Licht auf. Normalerweise tritt eine Interferenzlöschung im interferierenden reflektierten Licht auf, wenn der Abstand zwischen der teilreflektierenden Oberfläche und den reflektierenden Oberflächen der Membran ein Vielfaches der halben Wellenlängen des Lichts ist.

Normalerweise wird nur ein bestimmter begrenzter Teil des Oberflächenbereichs der Membran zusammen mit einem entsprechend begrenzten Teil der teilreflektierenden Oberfläche beleuchtet. Es sind zumindest diese begrenzten Teile dieser Oberflächen, vorzugsweise parallel zueinander und senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichts angeordnet. Bei einer geeigneten Anordnung der Vorrichtung kann eine Interferenzlöschung

■^:--;·· · : ■ "* ■ 3U2164

bei zwei oder mehr Frequenzen im vorbestimmten Frequenzband auftreten. Wenn beispielsweise eine Interferenzlöschung bei zwei benachbarten Wellenlängen T^₀ und A₁ auftritt, so kann der Abstand d zwischen den Oberflächen durch die nachstehend angegebenen Beziehungen ausgedrückt werden:

■d = ψ- η bzw. d = γ- (n+1)

worin η eine ganze Zahl bedeutet. Es gilt also: . "

Vorzugsweise ist die Lichtleiteinrichtung so angeordnet, daß die Beziehung

• -^L IjL < *

erfüllt ist, worin^\_T die längste und A_c die kürzeste Wellenlänge des Lichts bzw. der Energie im Frequenzband bedeuten

und d . der zu messende Mindestabstand ist. min

Durch die vorstehend angegebene bevorzugte Anordnung wird gewährleistet, daß mindestens ein Paar benachbarter Wellenlängen, bei denen eine Interferenzlöschung stattfindet, vorhanden ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann dann so angeordnet sein, daß die Frequenzen von mindestens zwei ausgewählten Minima oder Maxima der Amplitudenänderungen des Lichts mit einer Frequenz über das Frequenzband bestimmt und die Anzahl der Minima oder Maxima zwischen diesen ausgewählten Minima oder Maxima zählt und daraus einen Wert für die Verschiebung der Membran berechnet. Der Wert für die Verschiebung der Membran kann leicht berechnet werden, wenn in der Verarbeitungseinrichtung die vorstehend angegebene Gleichung angewendet wird.

Die Verarbeitungsexnrichtung kann die Frequenzen von mehr als zwei Minima oder Maxima bestimmen und die Werte für die Verschiebung der Membran aus jedem Frequenzpaar sowie die Anzahl der Minima oder Maxima zwischen den entsprechenden * Minima- oder Maxima-Paaren berechnen. Dann wird eine Anzahl' von Werten für die Verschiebung berechnet, woraus ein Mittelwert mit verbesserter Genauigkeit berechnet werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Detektoreinrichtung eine Faseroptik, wobei das interferierende reflektierte Licht zur Erzeugung des Ausgangssignals an eine vom Wandler entfernt angeordnete Stelle geleitet wird. Die Lichtleiteinrichtung kann eine vom Wandler entfernt angeordnete Lichtquelle und eine Faseroptik aufweisen, um das Licht von der Lichtquelle zum Wandler zu leiten und die Interferometeranordnung zu beleuchten. Bei einer solchen Anordnung kann die einzige Verbindung mit dem Wandler über die Faseroptik erfolgen.

Die Faseroptiken der Detektoreinrichtung und der Lichtleiteinrichtung können ein gemeinsames Ende am Wandler haben, das als teilreflektierende Oberfläche ausgebildet ist. Bei einer Anordnung können die Detektoreinrichtung und die Lichtleiteinrichtung eine gemeinsame Faseroptik haben, um das Licht von der Lichtquelle zum Wandler und das interferierende reflektierte Licht vom Wandler zurück zu leiten; diese Vorrichtung kann dann einen Strahlenteiler an dem von Wandler entfernt angeordneten Ende der Faseroptik enthalten, um das vom Wandler kommende, interferierende reflektierte Licht zum Nachweis der Amplitudenänderung in Beziehung zur. Frequenz abzutrennen. Bei einer anderen Anordnung können die Detektoreinrichtung und die Lichtleiteinrichtung getrennten optische Faserbündel enthalten, die zur Bildung des gemeinsamen Endes am Wandler vereinigt oder miteinander vermischt sind.

Bei einer Ausführungsform erzeugt die Lichtleiteinrichtung Licht mit einer einzigen Frequenz, welches das Frequenzband periodisch durchläuft; die Detektoreinrichtung kann dann einen Photodetektor darstellen, der auf die Amplitude des interferierenden reflektierten Lichts anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das sich zeitlich verändert, wenn die Lichtfrequenz das Frequenzband durchläuft oder überstreicht. Bei einer anderen Ausführungsform erzeugt die Lichtleiteinrichtung ein kontinuierliches Frequenzband, und die Detektoreinrichtung kann eine Vorrichtung zum räumlichen Aufspalten der Frequenzen des interferierenden reflektierten Lichts in ein Spektrum sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der Lichtintensität enthalten, die durch das aufgespaltene Lichtspektrum beleuchtet ist und Schwankungen der Lichtintensität in Beziehung zur Frequenz über das Spektrum registriert. Die Einrichtung zur Bestimmung der Lichtintensität kann eine Reihe von Photodetektoren enthalten, die über das Spektrum verteilt sind. Diese Einrichtung kann aber auch eine Fernsehkameraröhre darstellen.

Die in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verwendete Lichtquelle braucht keine konstante Intensität über das Frequenzband zu haben. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung dann eine Einrichtung zur selektiven Beleuchtung der Detektoreinrichtung mit Licht direkt von der Lichtquelle, um ein Ausgangssignal der Amplitudenänderung der Lichtquelle in Beziehung zur Frequenz zu erzeugen. Die Verarbeitungseinrichtung kann dann die Schwankungen des Lichts der Lichtquelle aufzeichnen, um die Wirkung dieser Schwankungen, die den Schwankungen infolge Interferenz in der Interferometer-Anordnung überlagert sind, zu kompensieren.

-::.*-.^:" .i 3H2T64

Vorzugsweise ist der reflektierende Oberflächenbereich der Membran des Wandlers gegenüber dem Rest der Membran steif/ so daß sich dieser Oberflächenbereich bei einer Biegung der Membran nur unbedeutend verformt.

Nach einer speziellen Anordnung sind die entsprechenden Oberflächenbereiche auf beiden Seiten der Membran reflektierend, und gegenüber der Membran ist eine zweite, teilreflektierende Oberfläche angeordnet, wodurch eine zweite Interferometer-Anordnung gebildet wird, wobei die Lichtleiteinrichtung auch die zweite Interferometer-Anordnung beleuchtet und die Detektoreinrichtung auch auf das interferierende reflektierte Licht aus der zweiten Interferometeranordnung anspricht, um das zweite Ausgangssignal der Amplitudenänderung in Beziehung zur Frequenz zu erzeugen, wobei die Verarbeitungseinrichtung sowohl das erste als.auch das zweite Ausgangssignal empfängt und daraus ein Signal über die Verschiebung der Membran erzeugt, das praktisch unabhängig von Änderungen des Brechungsindex des in den Zwischenräumen zwischen der reflektierenden und der teilreflektierenden Oberfläche der Interferometeranordnungen befindlichen Mediums ist.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der Differentialdruckwandler nur teilweise gezeigt ist;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verschiebung der Membran gleichzeitig an beiden Seiten gemessen wird;

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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Schwankungen der Ausgangssignale der Detektoren nach Fig. 2 in Abhängigkeit von der Frequenz; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des in der elektronischen Verarbeitungseinrichtung erzielten Normalisierungseffekts bezüglich der Darstellung von Fig. 3, wenn das Ausgangssignal mit dem Licht verglichen wird, das direkt von der Lichtquelle erzeugt wird.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes d zwischen einem Punkt auf einer Oberfläche der Membran eines Differentialdruckwandlers und der angrenzenden Oberfläche des Gehäuses'oder Körpers des Wandlers dargestellt. Aus Gründen der Einfachheit sind nur ein Teil der Membran 1 und ein Teil des Gehäuses 2 des Wandlers gezeigt. Differentialdruckwandler dieser allgemeinen Gattung sind bekannt, z.B. aus der GB-PS 13 18 780. Bei diesen bekannten Druckwandlern ist die Membran in einem. Gehäuse angebracht, wobei eine Kammer in zwei Teile geteilt wird, die mit einem Druckübertragungsmedium, gewöhnlich einem öl, gefüllt sind. Die Drücke, deren

Unterschiede mit Hilfe des Wandlers gemessen werden sollen, werden in an sich bekannter Weise auf die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Membran aufgebracht, so daß die Membran als Folge der Druckunterschiede abgelenkt wird. Bekanntlich kann der Druckunterschied durch Bestimmung des Ablenkungsoder Verschiebungsgrades der Membran gemessen werden. Eine der Schwierigkeiten, die bei Differentialdruckwandlern dieses allgemeinen Typs auftritt, besteht darin, daß die Verschiebung der Membran nicht genau gemessen werden kann. Die Verschiebung der Membran 1 im vorliegenden Fall kann durch.Messung des Abstandes d (vgl. Fig. 1) gemessen werden.

Nach Fig. 1 wird weißes Licht von einer Lichtquelle 4 (gewöhnlich einer Glühlampe) von einer entfernten Stelle aus durch einen Lichtleiter 5 zum Druckwandler geleitet. Das am Wandler aus dem Lichtleiter 5 austretende Licht wird durch ein Linsensystem 10 fokussiert und durch die durchsichtige Bezugs-

platte 11 auf eine Oberfläche 12 der Membran 1 geleitet. Eine Oberfläche 13 der Bezugsplatte 11 ist optisch eben geschliffen und liegt parallel zu der Tangente zur Oberfläche 12 der Membran 1 unmittelbar neben der Platte 11. Die Oberfläche 12 der Membran 1 ist zumindest unmittelbar gegenüber der Platte 11 reflektierend, während die Oberfläche 13 der Platte teilreflektierend ist. Auf diese Weise interferiert das von der Oberfläche 12 der Membran 1 reflektierte und wieder in die Platte 11 eintretende Licht mit dem ursprünglich an der teilreflektierenden Oberfläche 13 der Platte reflektierten Licht- Das interferierende reflektierte Licht geht dann auf dem ursprünglichen optischen Strahlengang in den Lichtleiter 5 zurück. Der Lichtleiter 5 enthält zwei optische Faserbündel 7 und 8, die über die größere Länge des Lichtleiters 5 praktisch gleichmäßig vereinigt oder vermischt sind, die sich aber bei 6 gabeln, wobei das eine Bündel 7 zu der Lichtquelle 4 und das zweite Bündel 8 zu einem optischen System führt, das im allgemeinen mit 9 bezeichnet ißt. Ein Teil des reflektierten interferierenden Lichts, das wieder in den Lichtleiter 5 eintritt, tritt in die Fasern des Bündels 8 ein und wird durch das Bündel 8 zum optischen System 9 geleitet. Dieses enthält ein Prisma 18, welches die verschiedenen Frequenzkomponenten des reflektierten interferierenden Lichts aufspaltet. Eine Reihe 19 von Photodetektoren ist so angeordnet, daß die durch das im Prisma 18 erzeugte Lichtspektrum beleuchtet wird, so daß die relative Intensität oder Amplitude des zurückgeworfenen Lichts bei verschiedenen Frequenzen selektiv von den Photodetektoren 19 gemessen werden kann.

Es tritt eine Interferenzlöschung zwischen dem von der Membranoberfläche 12 reflektierten Licht und dem an der teilreflektierenden Oberfläche 13 reflektierten Licht bei Frequenzen auf, bei denen der Abstand d zwischen diesen Oberflächen ein Vielfaches der halben Wellenlängen ist'. Das auf · die Reihe 19 aufgefächerte Lichtspektrum enthält helle und dunkle Streifen in Spektralbereichen, welche den Lichtwellenlängen entsprechen, bei denen eine Interferenzlöschung im Spalt zwischen den Oberflächen 12 und 13 auftrat.

Es können Einrichtungen (nicht dargestellt) zum Abtasten der Reihe 19 von Photodetektoren vorgesehen sein, wodurch ein fortlaufendes Ausgangssignal V_Q (vgl. Fig. 3) erzeugt wird, das den relativen Lichtintensitäten über das Spektrum entspricht. Die Lage jedes Elements der Reihe 19 im Hinblick auf die Frequenzen des Spektrums kann leicht bestimmt werden, so daß man, wenn man die Lage der einzelnen Elemente der Reihe 19 kennt, die Wellenlängen aller dunklen Streifen im Spektrum leicht bestimmen kann.

Der fortlaufende Ausgang der Reihe 19 von Photodetektoren wird in eine Elektronikeinheit 20 eingespeise, in welcher die Wellenlängen der dunklen Streifen berechnet werden; aus diesen Wellenlängen wird auch der Abstand d berechnet. Das Ergebnis wird auf eine Anzeigeeinrichtung 21 übertragen.

Ist der Abstand d so, daß die benachbarten dunklen' Streifen des auf die Reihe 19 projezierten Spektrums bei den Wellenlängen ?~_n und A₁ beobachtet werden, so gilt, daß zwischen den Oberflächen 12 und 13 der beiden Platten eine ganze Zahl (n) von halben Wellenlängen?-, und eine ganze Zahl (n+1) von halben Wellenlängen 7-* liegt. Wie bereits gesagt, ergibt dies die Beziehung

^Λο -

Die Elektronikeinheit 20 kann so ausgelegt sein, daß sie die Werte für ?-_n und )-* bestimmt und aus diesen Werten den auf der Anzeigeeinrichtung 21 erscheinenden Wert von d berechnet.

In der Praxis tritt eine große Anzahl von Streifen über das Spektrum auf, und die Genauigkeit der Bestimmung des Abstandes d kann dadurch verbessert werden, daß man die weiter voneinander entfernten Streifen berücksichtigt. Wenn also die Wellenlänge eines bestimmten Streifens und des mten Streifens bestimmt, dann gilt

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- 1 . O m
d = -ö

worin die Wellenlänge im freien Raum und μ der Brechungsindex des Materials oder des Mediums zwischen der Membran 1 und dem Gehäuse 2 ist.

Es kann eine Anzahl von derartigen Beziehungen für verschiedene Streifenpaare gebildet werden. Zur Verbesserung der Genauigkeit ist deshalb die Elektronikeinheit 20 so ausgelegt, daß sie den Wert d unter Verwendung möglichst vieler Streifenpaare berechnet und dann einen optimierten Mittelwert für d bildet.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird nur ein kleiner Bereich der Oberfläche 12 der Membran 1 durch das von der Lichtquelle 4 durch den optischen Lichtleiter 5 kommende Licht beleuchtet. Wenn dieser beleuchtete Bereich hinreichend klein ist und der auf die Oberfläche 12 gerichtete Lichtstrahl am beleuchteten Fleck genau senkrecht zu der Tangente zur Oberfläche 12 ist, sind kleinere Unebenheitender Oberfläche 13 nicht so wichtig. Wichtig ist nur, daß die beleuchtete Stelle der Oberfläche 12 um nicht mehr als einen kleinen Bruchteil der kürzesten Lichtwellenlänge im Strahl von einer senkrecht zum Lichtstrahl und parallel zur teilreflektierenden Oberfläche 13 der Bezugsplatte 11 liegenden Oberfläche abweicht. Der Grad der Abweichung soll auf jeden Fall weniger als 1/4 der"kürzesten Wellenlänge sein.

In Fig. 2 ist eine modifizierte Anordnung dargestellt, in dar dor Abstand zur Membran von beiden Seiten gemessen wird. Der Differentialdruckwandler von Fig. 2 ist im allgemeinen mit 30 bezeichnet und enthält ein Gehäuse 31, in welchem eine Membran 32 angebracht ist. Die Membran 32 ist normalerweise kreisförmig und an ihrem Rand befestigt, so daß die Druckkammer im Gehäuse 31 in zwei Abteilungen 33 und .34 unterteilt wird.

Die Abteile 33 und 34 der Druckkammer sind mit einer Druckübertragungsflüssigkeit (gewöhnlich einem öl) gefüllt und die Drücke P₁ und P , deren Unterschied durch den Wandler gemessen werden soll, werden über die Kanäle 35 und 36 durch das Gehäuse 31 .auf die entsprechenden Abteile 33 und 34 der Kammer aufgebracht. Aufgrund der Unterschiede zwischen den Drücken P₁ und P_ wird die Membran 32 aus ihrer Mittellage abgelenkt. Die Bauweise des Druckwandlers entspricht insoweit der von bekannten Wandlern.

Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird jedoch die Ablenkung oder Verschiebung der Membran 32 auf optischem Weg gemessen. Ein mittlerer Bereich 37 der Membran ist etwas dicker als der Rest der Membran, so daß er verhältnismäßig steif ist. Die Oberflächen des verdickten mittleren Bereichs 37 sind genau eben und reflektierend, und sie bleiben praktisch eben, wenn die Membran 32 als Folge eines Druckunterschiedes abgelenkt wird. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 wird das Licht von einer Lichtquelle 38 über die Lichtleiter 39 und 40 von einer entfernt gelegenen Stelle zum Wandler 30 geleitet. Die Lichtleiter 39 und 40 laufen durch das Gehäuse 31 und enden unmittelbar gegenüber dem verstärkten zentralen Bereich 37 der Membran. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Licht über die Lichtleiter 39 und 40 auf beide Seiten der Membran 32 geleitet. Die Enden der Lichtleiter, die den Oberflächen der Membran 32 gegenüberliegen, sind optisch eben geschliffen und mit einem teilreflektierenden Überzug versehen, der durch Kathodenzerstäubung oder durch Aufdampfen aufgebracht ist.. Es sind also auf beiden Seiten der Membran 32 Spalte vorgesehen, die Interferometer-Anordnungen ergeben, so daß eine Interferenz zwischen dem von der Membran reflektierten Licht und dem von den teilreflektierenden Überzügen direkt in den Lichtleiter 39 zurückreflektierten Licht auftritt.

Wie- bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel· sind die Lichtleiter zumindest an den Enden des Wandiers 30 aus zwei miteinander vermischten optischen Faserbündeln gebildet. Ein Teil des reflektierten interferierenden Lichts wird also durch die Bündel 41 und 42 auf jeder Seite der Membran zu einer Detektor- und Verarbeitungseinrichtung geführt, um die Ablenkung der Membran zu bestimmen .

Das Licht aus den Faserbündeln 41 bzw. 42 wird durch eine Linse 43 fokussiert und durch ein Prisma 44 in getrennte Spektren aufgespalten, die die entsprechenden Detektorreihen 45 bzw. 46 ausleuchten. Die Wellenlängen der dunklen Streifen in den beiden Spektren können dann mit Hilfe einer Elektronikeinheit 47 bestimmt werden, welche die Ausgangssignale der Detektoren 45 und 46 empfängt.

Die Elektronikeinheit 4 7 kann so ausgelegt sein, daß sie die beiden Gruppen von AusgangsSignalen, die den Interferenzmustern an den einander gegenüberliegenden Seiten der Membran 32 entsprechen, verarbeitet, wodurch der Druckunterschied mit einer größeren Genauigkeit berechnet wird. Der erhaltene Wert ist auch praktisch unabhängig von Schwankungen des Brechungsindex des Mediums in den Abteilen 33 und 34 der Druckkammer im Druckwandler.

Wenn die an den gegenüberliegenden Seiten der Membran 32 gemessenen Abstände mit d.. und d_ bezeichnet werden, beträgt die Verschiebung der Membran aus ihrer Mittellage d₁ ~ ä_.

Die Elektronikeinheit 47 kann so ausgelegt sein, daß sie den Wert d. - d„ sowie den Wert d.. + d₂ berechnet, der von der Ablenkung der Membran, d.h. von der Druckdifferenz, unabhängig sein sollte. Beide Werte hängen jedoch von dem Brechungsindex μ des die Druckkammer des Wandlers ausfüllen-. den Mediums ab. Wenn also die Elektronikeinheit 47 so ausge-

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. - 19 -

legt ist, daß sie den Wert d - d₂ durch den Wert d + d teilt, so kann man einen Wert erhalten, der dem Druckunter- . schied entspricht, der aber von Schwankungen des'Brechungsindex μ unabhängig ist.

Anstelle der optischen Anordnung von Fig. 2 können die beiden Spektren von den einander gegenüberliegenden Seiten der Membran 32 auf eine einzige Reihe von Photodetektoren fokussiert werden. Statt der einzigen Lichtquelle 38 können dann getrennte Lichtquellen verwendet werden, und die beiden Ablesungen von den einander gegenüberliegenden Seiten der Membran können dann nacheinander an der einzigen Detektoreinrichtung vorgenommen werden, indem die beiden Lichtquellen nacheinander ein- und ausgeschaltet werden. Bei einer weiteren Anordnung kann eine einzige Lichtquelle und eine einzige Detektorreihe zusammen mit einer geeigneten elektro-optischen oder elektromechanischen Vorrichtung verwendet werden, die zu einer bestimmten Zeit nur eines der beiden Spektren auf den Detektor projiziert.

Fig. 3 zeigt ein typisches Spektrum, wie es durch eine der Detektorreihen 45 bzw. 46 bestimmt wurde. Die durch Interferenz hervorgerufenen Maxima und Minima überlagern die spektrale Verteilungskurve des Lichts von der Lichtquelle 38. Die Elektronikeinheit 47 kann so ausgelegt sein, daß sie die Position der Minima oder Maxima in einem solchen Spektrum lokalisiert, indem sie die Signale, die das voil-• ständige Spektrum darstellen, speichert und dann das Spektrum überprüft und auf Wendepunkte achtet. Es kann auch zweckmäßig sein, das von der Lichtquelle 38 erzeugte Grundspektrum zu kompensieren. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Teil des Lichts der Lichtquelle 38 direkt auf das Prisma

44 und die Detektorreihen 45 und 46 geleitet wird, so daß die Elektronikeinheit 47 Daten über den spektralen Umfang des Lichts aus der Lichtquelle, gemessen durch die Detektorreihe

45 bzw. 46, aufzeichnen.kann. Wenn die vom Wandler kommenden

/"" " 3142134

Interferenzmuster in der Elektronikeinheit anschließend aufgezeichnet und festgehalten werden, können die Signale, die der Lichtintensität bei jeder Wellenlänge entsprechen, mit dem Kehrwert des gespeicherten Signals der gleichen Lichtwe.llenlänge, die direkt von der Lichtquelle kam, multipliziert werden. Die erhaltenen kombinierten und kompensierten Daten ergeben eine Wellenform, wie sie in Fig..4 dargestellt ist, wobei die Interferenzstreifen um den Wert 1 normalisiert sind. Dann kann die Elektronikeinheit 47 die Wellenlängen der Maxima oder Minima dadurch bestimmen, daß sie die Punkte in der Mitte aufsucht, zwischen denen die in Fig. 4 dargestellte Wellenform die horizontale Linie bei dem Wert 1 kreuzt. Dieses Verfahren kann auch dazu verwendet werden, um unterschiedliche Empfindlichkeiten der einzelnen Dioden in den Reihen 45 und 46 zu kompensieren.

Obgleich getrennte Faserbündel angegeben sind, die das Licht zum Wandler bzw. vom Wandler wegleiten, kann auch ein einziger Lichtleiter verwendet werden, und zwar zusammen mit geeigneten Anordnungen, wie halb versilberten Spiegeln oder Strahlenteilern, um das zurückkehrende reflektierte Licht zum Nachweis abzutrennen.

Obgleich nach dem vorstehenden Beispiel weiße Lichtquellen verwendet wurden, können erfindungsgemäß auch mit Hilfe einer Lichtquelle mit einer einzigen Frequenz Vorteile erzielt werden, die periodisch ein bestimmtes Frequenzband durchläuft. In diesem Fall ist eine räumlich verteilte Detektoreinrichtung, wie die Photodioden-Reihe 19, 45 und 46, unnötig, vorausgesetzt, daß die Frequenz des Strahles in einer vorherbestimmten Weise geschwenkt wird. Dann kann ein einziger Detektor für die Amplitude des interferierenden reflektierten Lichts verwendet werden, und die zeitabhängige Schwankung des Detektorausgangs entspricht der Amplitudenänderung.in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Lichtquelle mit der durchlaufenden Frequenz (swept frequency light source) kann ein abstimmbarer Laser oder ein bewegliches Prisma oder Beugungsgitter sein. Bei Verwendung einer Lichtquelle mit durchlaufen-

der Frequenz können die Prismen 18 und 44 entfallen, und als Detektor kann eine einzige Photodiode verwendet werden.

Bei einer weiteren Anordnung unter Verwendung von weißem Licht kann die Detektoreinrichtung einen abstimmbaren Filter enthalten, der periodisch durch das Band geschwenkt wird. Auf diese Weise braucht man wiederum nur eine einzige Nach- . weiseinrichtung zum frequenzabhängigen Nachweis der Amplituden Schwankung zu verwenden. Der abstimmbare Filter kann ein Beugungsgitter oder ein Prisma darstellen, die mechanisch gedroht worden, um das Spektrum über den Detektor zu schwenken; man kann zu diesem Zweck auch einen Kristall mit einem spannungsabhängigen Brechungsindex verwenden.

Claims

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PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. R. SPLANEMANN dipl.-chum. dr. B. REITZNER

ZÜGEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANOATAIRES AGREES PRES L¹OEB

ROSEMOUNT ENGINEERING COMPANY LIMITED Durban Road Bognor Regis / Sussex Großbritannien

eoooMünchen 2 23. Oktober 1981 Tel 13

Telefon (089) 22 6207/226209 Telegramme: Invenlius München Telex: 528418 intus d

Unsere"Akte= 4119~I~11.629

Ihr Zeichen:

Patentanmeldung

Vorrichtung zur Messung von Druckunter schieden

PATENTANSPRÜCHE .

λ J Vorrichtung zur Messung von Druckunterschieden, enthaltend einen Wandler mit einem Gehäuse und einer im Gehäuse angebrachten Membran, die als Funktion eines zu messenden, quer zur Membran wirkenden Druckunterschieds relativ zum Gehäuse verschiebbar ist, und eine Einrichtung zur Messung der Verschiebung der Membran, dadurch, gekennzeichnet, daß mindestens ein Oberflächenbereich (12) der Membran (1; 32) reflektierend ist und daß die Meßeinrichtung (11) eine teilreflektierende Oberfläche (13) enthält, die am Gehäuse (2; 31) angrenzend an den Oberflächenbereich (12) der Membran angebracht ist und damit eine Interferometeranordnung bildet; weiterhin gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Leiten von Licht (5; 39, 40) zu dem reflektierenden Bereich der Membran durch die teilreflektierende Oberfläche, um eine Interferenz zwischen dem durch die Membran reflektierten Licht und dem durch die teilreflektierende Oberfläche reflektierten Licht zu erzeugen, wobei das Licht entweder ein vorbestimmtes kontinuierliches Frequenzband oder eine einzige Frequenz hat, die das Frequenzband periodisch durchläuft; eine Detektoreinrichtung (9, 19; 45, 46), die auf das interferierende reflektierte Licht anspricht

und ein Ausgangssignal der Amplitudenänderung in Beziehung zur Frequenz des interferierenden reflektierten Lichts innerhalb des Frequenzbandes erzeugt; und eine Einrichtung (20; 47) zur Verarbeitung der durch die Verschiebung der Membran bedingten Ausgangssignale.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung (5; 39, 40) so angeordnet ist, daß nur ein bestimmter begrenzter Teil des Oberflächenbereichs (12) der Membran (1; 32) und ein entsprechend begrenzter Teil der teilreflektierenden Oberfläche (13 ; 37) " beleuchtet wird, wobei die begrenzten Teile dieser Oberflächen parallel zueinander und senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichts angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung (5; 39, 40) so angeordnet ist, daß die Beziehung

λ λ
L S

(L-S) < ^dmin,

erfüllt ist, worin λ die längste undA_, die kürzeste

Jü b

Wellenlänge des Lichts im Frequenzband bedeuten und d .

min

der zu messende Mindestabstand ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (20; 47) die Frequenzen von mindestens zwei ausgewählten Minima oder Maxima der Amplitudenänderung des Lichts über das Frequenzband bestimmt und die Anzahl der Minima und Maxima zwischen diesen ausgewählten Minima oder Maxima zählt und daraus einen Wert für die Verschiebung der Membran berechnet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (20, 47) die Frequenzen von mehr als zwei Minima oder Maxima bestimmt und die Werte für die Verschiebung der Membran aus jedem Frequenzpaar sowie die Anzahl der Minima oder Maxima zwischen den entsprechenden Minima- oder Maxima-Paaren berechnet.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (9) eine. Faseroptik (8) enthält, wobei das interferierende reflektierte Licht zur Erzeugung des Ausgangssignals an eine vom Wandler entfernt angeordnete Stelle geleitet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung eine vom Wandler entfernt angeordnete Lichtquelle (4; 38) und eine Faseroptik (7; 39, 40) aufweist, um das Licht von der Lichtquelle zum Wandler zu leiten und die Interferometeranordnung zu beleuchten.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseroptiken (7, 8; 39, 40) der Detektoreinrichtung und der Lichtleiteinrichtung ein gemeinsames Ende als teilreflektierende Oberfläche am Wandler haben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (9) und die Lichtleiteinrichtung eine gemeinsame Faseroptik (5; 39, 40) aufweisen, um das Licht von der Lichtquelle (4; 38) zum Wandler und das interferierende reflektierte Licht vom Wandler zurückzuleiten, und daß ein Strahlenteiler an dem vom Wandler entfernt angeordneten Ende der Faseroptik vorgesehen ist, um das vom Wandler kommende, interferierende reflektierte Licht zum Nachweis der Amplitudenänderung in Beziehung zur Frequenz aufzutrennen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (9) und die Lichtleiteinrichtung getrennte optische Faserbündel (7, 8; 41, 42) enthalten, die zur Bildung des gemeinsamen Endes am Wandler vereinigt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung Licht mit einer einzigen Frequenz erzeugt, die das Frequenzband periodisch durchläuft und daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor (19; 45, 46) darstellt, der auf die Amplitude des interferierenden reflektierten Lichts anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das sich zeitlich verändert, wenn die Lichtfrequenz das Band durchläuft.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung ein kontinuierliches Frequenzband erzeugt, daß die Detektoreinrichtung eine. Vorrichtung (18; 44) zum räumlichen Aufspalten der Frequenzen des interferierenden reflektierten Lichts in ein Spektrum und eine Einrichtung (19; 45, 46) zur Bestimmung der Lichtintensität enthält, die durch das aufgespaltene Lichtspektrum ausgeleuchtet ist und Schwankungen der Lichtintensität in Beziehung zur Frequenz über das Spektrum registriert.
13.' Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19; 45, 46) zur Bestimmung der Lichtintensität eine Reihe von Photodetektoren enthält, die über das Spektrum verteilt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung'zur Bestimmung der Lichtintensität eine Fernsehkameraröhre darstellt.

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15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung eine Lichtquelle (4; 38) enthält, daß eine Einrichtung zur selektiven Beleuchtung der Detektoreinrichtung mit Licht direkt von der Lichtquelle vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal der Amplitudenänderung der Lichtquelle in Beziehung zur Frequenz zu erzeugen, und daß die Verarbeitungseinrichtung (20; 47) die Schwankungen des Lichts der Lichtquelle aufzeichnet, um die Wirkung dieser Schwankungen, die den Schwankungen infolge Interferenz in.der Interferometer-Anordnung überlagert sind, zu kompensieren.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (1.2) der Membran (1; 32) gegenüber dem Rest der Membran steif ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet", daß zur Ausbildung einer zweiten Interferometeranordnung die entsprechenden Oberflächenbereiche auf beiden Seiten der Membran (32) reflektierend sind und daß gegenüber der Membran eine zweite, teilreflektierende Oberfläche angeordnet ist, wobei die Lichtleiteinrichtung (39, 40) auch die zweite Interferometeranordnung ausleuchtet und die Detektoreinrichtung auch auf das interferierende reflektierte Licht aus der zweiten Interferometeranordnung anspricht, um das zweite Ausgangssignal der Amplitudenänderung in Beziehung zur Frequenz zu erzeugen, wobei die Verarbeitungseinrichtung sowohl das erste als auch das zweite Ausgangssignal empfängt und daraus ein Signal über' die Verschiebung der Membran erzeugt', das praktisch unabhängig von Änderungen des Brechungsindex des zwischen der reflektierenden und der teilreflektierenden Oberfläche der Interferometeranordnungen befindlichen Mediums ist.