DEVICE FOR MEASURING THE LINE INTEGRAL OF A LOCAL VARIABLE QUANTITY TO BE MEASURED

Abstract: In order to measure the line integral of a locally variable measurement quantity along a measurement path, an optical fibre whose optical properties, e.g. refractive index, are influenced by the measured quantity is laid along the measurement path. Measures for suppressing the influence of interference are specified in common with some advantageous applications.

Description: Vorrichtung zur Messung des Linienintegrals einer örtlich veränderlichen Messgrösse Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Linienintegrals einer örtlich veränderlichen Messgrösse längs eines vorgegebenen Messweges. Es ist bekannt, Lichtleitfasern als Sensorelemente für physikalische Messgrössen wie Druck oder Temperatur zu verwenden ("Optical Fibre Sensors" First International Conferencer 26-28. April 1983, IEE Conf. Publication No 221 London). Es geht dabei stets um die Erfassung örtlich konstanter Messgrössen. Meist wird die Lichtleitfaser auf einen Träger aufgewickelt, der sich nach Mass- gabe einer zu messenden Messgrösse verformt. Zur Messung von Flüssigkeitsdruckschwankungen wird beispielsweise die Lichtleitfaser aussen auf eine zylindrische Membran aufgewickelt, die innen von dem zu erfassenden Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist, so dass auf die Lichtleitfaser ein mechanischer Zug ausgeübt wird. Zur Messung eines Maqnetfeldes wird die Lichtleitfaser in entsprechender Weise auf einen magnetostriktiven Zylinder aufgewickelt oder auf ein magnetostriktives Trägermaterial aufgeklebt. Es ist aber auch bekannt, dass eine einfache nackte Lichtleitfaser auf eine Druckänderung mit einer Phasenänderung des durch die Lichtleitfaser hindurchgehenden Lichts reagiert, wobei diese Phasen änderung proportional zu der Länge der Lichtleitfaser ist. Die Empfindlichkeit gegen Druckänderungen kann durch eine Ummantelung mit einem Material von höherer Kompressibilität als die des Fasermaterials wesentlich erhöht werden. Ebenso ist es bekannt, die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl einer Lichtleitfaser und die thermische Ausdehung der Lichtleitfaser für die Temperaturmessung auszunutzen. Die durch die Messgrösse beeinflusste optische Eigenschaft ist meist die optische Weglänge der Lichtleitfaser, d.h. die Phase des von einem Laser durch die Lichtleitfaser geleiteten Lichts. Die durch Änderungen der Messgrösse hervorgerufenen Phasenverschiebungen werden mittels eines Interferometers mit einer Referenz-Lichtleitfaser in Signale umgesetzt. Die Interferometer sind beispielsweise Mach-Zehnder-Interferometer. Die ausgenutzte von der Messgrösse abhängige optische Eigenschaft der Lichtleitfaser kann aber auch die optische Doppelbrechung sein, durch welche der Polarisationszustand des durch die Lichtleitfaser geleiteten Lichts verändert wird. Es ist weiterhin bekannt, mittels einer Schleife aus einer Lichtleitfaser das Magnetfeld eines elektrischen Stromes zu messen (EP-OS 23 180). Auch dort handelt es sich um die Erfassung einer örtlich konstanten Messgrösse. Durch die DE-OS 29 34 794 ist ein mit Schleifen von Lichtleitfasern aufgebautes Gyroskop bekannt, durch welches Drehgeschwindigkeiten gegenüber dem inertialen Raum gemessen werden. Ein solches Gyroskop nutzt den Sagnac-Effekt aus. Bei einem geschlossenen Lichtweg ist im Falle einer Drehgeschwindigkeit im inertialen Raum die otpische Weglänge für das "linksherum" laufende Licht verschieden von der optischen Weglänge für das "rechtsherum" laufende Licht. Aus der Phasendifferenz kann die Drehgeschwindigkeit bestimmt werden. Es werden dabei eine oder mehrere Schleifen der Lichtleitfaser gebildet, weil der Sagnac-Effekt proportional zu der von dem Lichtweg umschlossenen Fläche ist. Ähnliche Gyroskope sind auch in der eingangs erwähnten Literaturstelle "IEE Conf. Bulletin No. 221" beschrieben. Es ist weiterhin bekannt, bei Turbinentriebwerken Drücke und Temperaturen an verschiedenen einzelnen Punkten durch Messsonden zu messen. Ebenso ist es bekannt, Druck in einzelnen Punkten der Tragflächen eines Flugzeugs zu messen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Linienintegrals einer örtlich ver änderlichen Messgrösse längs eines vorgegebenen Messweges zu schaffen. Der Erfindung liegt die speziellere Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung mit Hilfe von Lichtleitfasern zu realisieren. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch (a) eine längs des Messweges verlegte Lichtleit faser, von welcher eine optische Eigenschaft örtlich durch die jeweilige örtliche Mess grösse beeinflussbar ist und die in jedem Punkt des Messweges von der Messgrösse beaufschlagt ist, (b) Mittel zum Hindurchlciten von Licht durch die Lichtleitfaser und (c) eine Detektoranordnung, die integrierend auf die längs der Lichtleitfaser auftretenden Werte der besagten optischen Eigenschaft anspricht. Es kann auf diese Weise z.B. ein Mittelwert der Messgrösse über einen Messweg oder - bei z.B. mäanderförmiger Führung des Messweges - über eine Fläche gebildet werden. Wenn bei einer Druckmessung der Messweg mäanderförmig oder sonstwie gleichmässig über eine Fläche verteilt geführt wird, dann wird durch die Integration ein Mass für die durch den Druck auf die Fläche ausgeübte Kraft erhalten. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch-perspektivisch die Anwendung der Vorrichtung zur Bildung eines Druckmittelwertes bei einem Tur binentriebwerk. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Tragfläche eines Flugzeugs, auf welche druckempfind liche Lichtleitfasern in einem Mäander muster zur Messung des Auftriebs auf der Ober- und Unterseite aufgebracht sind. Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Tragfläche von Fig. 2. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Detektoren anordnung. Fig. 5 veranschaulicht die Unterdrückung einer Störgrösse. In Fig. 1 ist perspektivisch ein Turbinentriebwerk 10 dargestellt, dessen Funktion bekannt und daher hier nicht im einzelnen erläutert ist. Es soll bei einem solchen Turbinentriebwerk der Druck gemessen werden, der in einer bestimmten Radialebene 12,12a herrscht. Der Druck kann aber längs des Umfangs der Turbine etwas unterschiedlich sein, so dass eine Druckmessung an einer bestimmten Stelle des Umfangs u.U. einen gestörten Messwert liefert. Aus diesem Grunde ist eine ummantelte Lichtleitfaser 14,14a längs eines im wesentlichen geschlossenen Messweges um den Gasstrom des Turbinentriebwerks herum in der Radialebene 12,12a angeordnet. Es wird auf diese Weise ein Mittelwert des Drucks in der Radialebene 12,12a gemessen. In ähnlicher Weise kann mittels eines ummantelten Lichtleiters, der längs eines solchen geschlossenen Messweges angeordnet ist, ein Mittelwert der Temperatur in einer Radialebene gebildet werden. Eine andere Anwendung ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Es ist dort eine Tragfläche eines Flugzeugs mit 16 bezeichnet, deren Profil aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Tragfläche 16 wird in Richtung des Pfeiles 18 angeströmt. Es ergibt sich dann auf der Oberseite der Tragfläche 16 von einem Staupunkt 20 bis zur Hinterkante 22 des Tragflächenprofils eine bestimmte Druckverteilung mit einem Unterdruck und auf der Unterseite eine andere Druckverteilung. Aus dem Integral der Druckverteilungen über die Fläche der Tragfläche ergibt sich der Auftrieb. Dieses Flächenintegral der Druckverteilung wird auf der Oberseite der Tragfläche 16 durch eine ummantelte Lichtleitfaser 24 gemessen, die, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, längs eines mäanderförmigen Messweges auf der Oberseite der Tragfläche 16 angebracht ist. Die Lichtleitfaser 24 ist damit gleichmässig über die Oberseite der Tragfläche 16 verteilt. Eine Detektoranordnung, mit welcher die Lichtleitfaser 24 über weitere Lichtleitfasern 26,28 verbunden ist, spricht integrierend auf die längs der Lichtleitfaser 24 auftretenden Werte der durch den Druck beeinflussten optischen Eigenschaft an. Es wird so ein Messwert gewonnen, der praktisch dem Flächenintegral des Druckes über die Oberseite der Tragfläche 16 entspricht. In entsprechender Weise wird mittels einer Lichtleitfaser 30 ein Flächenintegral des Druckes über die Unterseite der Tragfläche 16 gemessen. Die Differenz dieser beiden Messwerte liefert den Auftrieb. Die Detektoranordnung kann auf verschiedene, an sich bekannte Weise ausgebildet sein. Ein Beispiel einer Detektoranordnung ist in Fig. 3 dargestellt.Von einer Lichtquelle 32, üblicherweise einem Laser, wird Licht über einen Koppler 34 auf eine als Messstrecke dienende Lichtleitfaser 36 und eine als Referenzstrecke dienende Lichtleitfaser 38 geleitet. Die Lichtleitfaser 36 ist ineiner den Messweg bildenden Schleife 40 gelegt. Die Lichtleitfaser 38 bildet eine ähnliche Schleife 42. Die beiden Lichtleitfasern 36 und 38 sind über einen Koppler 44 wieder zusammengeführt. Das über die beiden Lichtleitfasern 36 und 38 geleitete Licht wird zur Interferenz gebracht und fällt auf einen Photodetektor 46. Das Signal des Photodetektors 46 wird durch ein Bandpassfilter 48 gefiltert. In der Lichtleitfaser 38 ist ein Phasenmodulator 50 angeordnet. Der Phasenmodulator 50 wird von einem Integrator 52 gesteuert, an dessen Eingang ein Sägezahngenerator 54 liegt. Ein Phasenmesser 56 vergleicht die Phase des Sägezahngenerators 54 mit der Phase der Ausgangssignale des Bandpassfilters und liefert ein Phasensignal, wie in Fig. 3 durch ein Anzeigeinstrument 58 angedeutet ist. Solche Schaltungen sind an sich bekannt (vgl. Voges et al.: Optical Phase and Amplitude Measurement by Single Sideband Homodyne Detection" in IEEE Journal QE-18 Seiten 124 ff und D. Eberhard und E. Voges "Fiber Gyroscope with Phase-Modulated Single Sideband Detection" in "Optics Letters" Bd 9 No.1 Seiten 22 ff). Es wird nachstehend die Wirkungsweise der Vorrichtung an dem Beispiel der Phasenmodulation erläutert. Es ist zu beachten, dass die Phasenverschiebung, welche das Licht in einem Abschnitt der Lichtleitfaser erfährt, nicht nur von der zu erfassenden Messgrösse, z.B. dem Druck, sondern auch von anderen physikalischen Einflussgrössen, z.B. der Temperatur, abhängt. Die letzteren physikalischen Einflussgrössen werden hier als ¯Störgrössen" bezeichnet. Für ein infinitesirnal kleines Faserstück dl auf dem Messweg L ist die Phasenverschiebung des Lichts zwischen Anfang und Ende des Faserstücks d # = n (x) . k. dl (1). Dabei ist n (x) die Brechzahl, die abhängig ist vom Vektor der physikalischen Einflussgrössen, ko die Wellenzahl im Vakuum und x = (X1,X2,.. Xn) der Vektor der besagten physika lischen Einflussgrössen. Ein Betriebspunkt sei durch einen Vektor Xo = (X1,o,... Xn,o) gekennzeichnet, 4.Weicht der Vektor X der physikalischen Einflussgrössen um kleine Werte x = (x1...xn) von diesem n Betriebspunkt ab, dann ändert sich die Brechzahl auf n (Xo + x) = n (Xo) + n1 (XO)(-+ x1) + n2 (wo) ( x2) +.. (2) + 1/2 x12 +n22 x22 +...2 n12(-+ x1x2)+...]..., wobei EMI8.1 Durch eine geeignete Ummantelung der Lichtleitfaser kann die Empfindlichkeit für eine bestimmte Messgrösse, z.B. X1, erhöht und gleichzeitig die Empfindlichkeit für andere physikalische Einflussgrössen (Störgrössen) so vermindert werden, dass näherungsweise gilt n (Xo -+ x) = n (XO) + n1 (xo)(-+ x) (4). Für die gesamte Phasenverschiebung entlang des Messweges ergibt sich dann EMI9.1 Dieser Ausdruck ent das Linienintegral EMI9.2 dem konstanten ersten Term dl über die Messgrösse X7. 1 Als Beispiel für eine solche Messung, bei welcher der Einfluss von Störgrössen unterdrückt oder vernachlässigbar ist, wird nachstehend der Fall einer Druckmessung ohne Einfluss von Störgrössen betrachtet. Es ist X1 = p, wobei p der auf die Lichtleitfaser örtlich wirksame Druck ist. Der Einfluss von X2, X3... Xn sei vernachlässigbar. Dann wird aus Gleichung (1) d = n (p(l))ko dl oder EMI9.3 Es gilt dabei folgender Zusammenhang np = dn (7) dp wobei flp als Empfindlichkeitsfaktor bezeichnet wird. Eine Definition für diesen Empfindlichkeitsfaktor ist z.B. in ¯Fiber-Optic Rotation Sensors and Related Technologies", Herausgeber; S. Ezekiel und H.J. Arditly, Springer Verlag 1982, S. 414 angegeben. Setzt man p(l) = pO +#p(l), so folgt aus den Gleichungen (5) und (7) EMI10.1 Diese Phasenverschiebung kann durch ein interfero metrisches Verfahren etwa nach Fig. 3 in ein elektrisches Messsignal überführt werden. In manchen Fällen kann nicht erreicht werden, dass eine Lichtleitfaser nur für eine einzige physikalische Einflussgrösse empfindlich ist. Es kann beispielsweise manchmal bei einer Druckmessung die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl nicht vernachlässigt werden. In diesem Fall kann eine Anordnung vorgesehen werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Licht von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser, wird über einen Koppler 60 auf zwei Lichtleitfasern 62 und 64 geleitet. Die Lichtleitfasern 62 und 64 dienen nur der Signalübertragung und sind so ausgeführt, dass sie von den Einflussgrössen möglichst wenig beeinflusst werden. über einen Koppler 66 sind die Lichtleitfasern 62 und -64 mit Lichtleitfasern 68 bzw. 70 verbunden. Die Lichtleitfasern 68 und 70 sind mit einer Ummantelung versehen, so dass sie besonders für eine Einflussgrösse, z.B. den Druck, empfindlich sind. Der Druck stellt somit die Messgrösse dar. Die Empfindlichkeit für eine andere Einflussgrösse, z.B. die Temperatur, lässt sich aber nicht unterdrücken. Die Temperatur stellt somit eine Störgrösse dar. Die beiden Lichtleitfasern 68 und 70 sind dicht nebeneinander längs eines Messweges 72 verlegt, so dass sie gleichen Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt sind. über einen Koppler 74 sind die Lichtleitasarn 69 und 70 dann wieder mit Lichtleitfasern 76 bzw. 78 verbunden, die nur der Signalübertragung dienen. Die Lrv eitfasern 76 und 78 sind über einen Koppler 80 mit liner Detektoranordnung 82 verbunden. Die beiden Lichtleitfasern 68 und 70 sind so ausgebildet, dass sie unterschiedliche Empfindlichkeiten für die Mess- und Störgrössen besitzen. Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Die Messgrösse sei der Druck p, die Störgrösse sei die Temperatur T. Gemäss Gleichung (2) gilt dann für die Lichtleitfaser 68. EMI11.1 Dabei sind n68 und n70 die in einem bestimmten Punkt der Lichtleitfasern erhaltenen Brechzahlen. Der Index p oder T bedeutet -ähnlich wie in Gleichung (2)- die partielle Differentiation nach der betreffenden Grösse im Arbeitspunkt po,To Durch geeignete Wahl der Ummantelung kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass bei unterschiedlicher Empfindlichkeit der beiden Lichtleitfasern 68 und 70 für die Messgrösse, d.h. den Druck p, die Empfindlichkeiten für die Störgrösse, also die Temperatur T, gleich sind. Es ist also n z.B. n70,0 XY n68,p ist. Die Differenz der auf integrierten Phasenänderungen ist dann EMI12.1 In der Differenz verschwindet der Einfluss der Störgrösse T in erster Näherung. Das Linienintegral über die Messgrösse p wird gewichtet mit der Differenz t n der Empfindlichkeiten p für diese Grösse zwischen den beiden Lichtleitfasern 68 und 70. Die Phasendifferenzbildung erfolgt in einer Mach Zehnder-Uberlagerung der Lichtsignale aus den beiden Lichtleitfasern 60 und 70. Statt der Phase können auch andere Bestimmungsgrössen des durch die Lichtleitfaser geleiteten Lichts durch die Anderung der optischen Eigenschaften der Lichtleitfasern moduliert werden, beispielsweise Intensität, Polarisation oder Spektrum des Lichts. Eine Unterdrückung einer Störgrösse kann auch dadurch erreicht werden, dass (a) die Mittel zum Hindurchleiten von Licht durch die Lichtleitfaser zur Erzeugung von Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen in einer einzigen Lichtleitfaser eingerichtet sind, (b) die Lichtleitfaser so gewählt ist, dass sich bei den beiden tcrshiedlichen Wellenlängen unter schiedliche Empfindlichkeiten für die Mess- und/ oder Störgrössen ergeben, (c) durch die Detektoranordnung getrennte Signale für jede der besagten Wellenlängen erzeugbar ist und (d) Signalverarbeitungsmittel vorgesehen sind, die von Signalen der Detektoranordnung beaufschlagt sind, zur Trennung der durch die Messgrösse und der durch die Störgrösse hervorgerufenen An derungen der besagten optischen Eigenschaft.

Claims: Optical fibre arrangement for measuring the line integral of a first measuring quantity variable in space along a predetermined measuring path (72) in which the measuring path (72) extends over an area in which variations of the first measuring quantity are expected, comprising (a) a first light piping fibre (68) which is placed along this measuring path (72) and consists of a material having an optical characteristic (n) which, at each location along the predetermined measuring path (72), is affected by this first measuring quantity at least approximately as linear function of the measuring quantity (p) with a first coefficient (n 68p ) and which is further affected by a second disturbing measuring quantity (t), (b) means for passing light through the first light piping fibre (68) as first measuring light beam, (c) compensating means having a second light piping fibre (70) which is placed along the measuring path (72) and in which said optical characteristic (n) is affected by the first measuring quantity (p) according to an at least approximately linear function with a second coefficient (n 70p ) which is different from the first coefficient, and further affected by the second disturbing measuring quantity (t), and (d) means for passing light through the second light piping fibre as second measuring light beam, (e) a detector arrangement (82) having means which respond to a third measuring quantity () of the first and the second measuring light beam, which third measuring quantity () is a function of the path integral of the values of said optical characteristic along the predetermined measuring path (72) along which the light piping fibres (68, 70) are placed, and (f) means for generating, from the third measuring quantities () of the first and the second measuring light beam, a signal which, in a way compensated with respect to the influence of the second measuring quantity (T), represents the line integral (equation 4) of the first measuring quantity (p) along the measuring path (72). Optical fibre arrangement as set forth in claim 1, characterized in that the first measuring quantity is the pressure and the disturbing second measuring quantity is the temperature. Optical fibre arrangement as set forth in claim 1, characterized in that the first measuring quantity is the temperature and the disturbing second measuring quantity is the pressure. Optical fibre arrangement as set forth in any one of the claims 1 to 3, characterized in that the affected optical characteristic is the index of refraction (n). Optical fibre arrangement as set forth in any one of the claims 1 to 3, characterized in that the third measuring quantity is the phase () of the light leaving the light piping fibres (68, 70). Optical fibre arrangement as set forth in any one of the claims 1 to 5, characterized in that (a) said optical characteristic is affected substantially in the same manner by the second disturbing measuring quantity (t) in the first and the second light piping fibres (68, 70), and (b) the difference (₁ - ₂) of the values of the third measuring quantity () obtained by means of the first and the second light piping fibres (68, 70) is generated as signal for representing the line integral. Optical fibre arrangement as set forth in claim 3, characterized in that the measuring path (14) extends substantially closedly in a radial plane in a turbine engine (10). Optical fibre arrangement as set forth in claim 2, characterized in that (a) one respective light piping fibre arrangement (24, 30) is placed in a meander-pattern on the upper side and on the underside of a wing (16) of an aircraft, and (b) signal processing means are provided which, from the signals of the two light piping arrangements (24, 30), provide a signal representing the lift.

Inventors: BERNARD, WALTER, DR., DAHL, GUENTER WALTER, DR., KERSTEN, RALF TH., DR., Dahl, Günter Walter, Dr.
Applicants: BODENSEEWERK GERAETETECHNIK GMBH
Application year: 1985
Main classification: G01D5
IPC codes: G01D5, G01L11