DD256573A1 - FIBER OPTICAL SENSOR ELEMENT WITH MOBILE IRIS - Google Patents

Abstract

Faseroptisches Sensorelement mit beweglicher Blende fuer den Abgriff binaerer, ternaerer oder analoger Signale durch entsprechende Bewegung der Blende in einen mittels Stablinse in den mm-Bereich aufgeweiteten Lichtstrahl, wobei ein oder beidseitig auf der Blende eine Reinigungseinrichtung, bestehend aus einem Reinigungskoerper aus kompressiblem Material (Filz, Tuch, Schwamm), der mit oder ohne Fassung fest oder beweglich auf der Blende angeordnet ist. FigurFiber-optic sensor element with movable diaphragm for tapping binaerer, ternaerer or analog signals by appropriate movement of the aperture in a diffused by rod lens in the mm range of light beam, with one or both sides of the panel a cleaning device consisting of a cleaning body of compressible material (felt , Cloth, sponge), which is fixed or movable on the panel with or without a frame. figure

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf Sensorelemente, bei denen ein Lichtwellenleiter mit einer Stablinse oder einem Reflektor zusammenwirkt, wobei die Stablinse eine Spreizung des Lichtstrahls in den mm-Bereich bewirkt und mittels einer beweglichen Blende ein Signal abgreifbar ist.The invention relates to sensor elements, in which an optical waveguide with a rod lens or a reflector cooperates, wherein the rod lens causes a spread of the light beam in the mm range and by means of a movable diaphragm a signal can be tapped.

Voraussetzung dafür ist eine, verbunden mit dem jeweiligen Prozeß, notwendige Abbildung auf den Parameter Wegänderung.The prerequisite for this is, in conjunction with the respective process, the necessary mapping to the parameter Path change.

Die Erfindung kann also überall dort mit Nutzen angewendet werden, wo es darauf ankommt, einen Lichtstrahl mittels einer beweglichen (undurchsichtigen) Blende zwecks Erzeugung eines bestimmten Signals zu unterbrechen, indem die Blende so,:Thus, the invention can be applied to any purpose where it is important to interrupt a light beam by means of a movable (opaque) aperture in order to produce a specific signal by the aperture so:

eingestellt wird, daß sie den Lichtstrahl ganz oder teilweise bedeckt oder ihn wieder freigibt.is adjusted so that it covers the beam completely or partially or releases it again.

Hierbei kann es sich um Binärentscheide (Licht, kein Licht), Ternärentscheide (viel, wenig bzw. kein Licht) usw., um analoge Auslenkungen der Blende bzw. um inkrementelle Messungen handeln. Die Erfindung bewirkt eine erweiterte Anwendung von Sensoren mit derartigen Sensorelementen, insbesondere in Anlagen der Automatisierungstechnik mit rauhen und aggressiven Umgebungsbedingungen.These can be binary decisions (light, no light), ternary decisions (much, little or no light), etc., analogue deflections of the aperture or incremental measurements. The invention results in an extended application of sensors with such sensor elements, in particular in systems of automation technology with harsh and aggressive environmental conditions.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Faseroptische Sensorelemente mit beweglichen Blenden sind ihrerseits Bestandteil von faseroptischen Sensoren, wobei letztere im wesentlichen bestehen ausFiber optic sensor elements with movable diaphragms are in turn part of fiber optic sensors, the latter consisting essentially of

— Sende-, Empfangs- und Auswerteeinrichtung;- Transmitting, receiving and evaluating device;

— Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium- Optical waveguide as a transmission medium

— und dem hierin Rede stehenden Sensorelement zur Erfassung eines Effektes, Zustandes etc.And the sensor element discussed herein for detecting an effect, condition, etc.

Derartige faseroptische Sensoren und ihre Bestandteile werden in der Patentliteratur und in Veröffentlichungen umfangreich und in einer Vielzahl von Ausführungsformen abgehandelt.Such fiber optic sensors and their components are extensively discussed in the patent literature and publications and in a variety of embodiments.

In einer speziellen Ausführungsform enthält das Sensorelement ein oder zwei Stablinsen sowie einen Reflektorspiegel, wodurch das geführte Licht des Lichtwellenleiters in einem Maßstab von ca. 15:1 vergrößert und als Bündel paralleler Strahlen für makroskopisch handhabbare, optische Abblendungen genutzt werden kann. Der Aufbau und praktische Einsatzvarianten werden in DD 213753 (G 01 D-5/26) und in DD 281483.2 (H 01 L-31/00) erläutert.In a special embodiment, the sensor element contains one or two rod lenses and a reflector mirror, whereby the guided light of the optical waveguide can be enlarged on a scale of approximately 15: 1 and used as a bundle of parallel beams for macroscopically manageable, optical dimming. The structure and practical application variants are explained in DD 213753 (G 01 D-5/26) and in DD 281483.2 (H 01 L-31/00).

Weiterhin werden in den Schriften DD 228052 (G 01 B-21 /02) zur Erzeugung eines wegeproportionalen Signals bzw. DD 229787.Furthermore, DD 228052 (G 01 B-21/02) for generating a path-proportional signal or DD 229787.

(G 01 P-3/36) zur optoelektronischen Drehzahlmessung Möglichkeiten der analogen und inkrementellen Messung mittels faseroptischer Sensoranordnungen beschrieben.(G 01 P-3/36) for optoelectronic speed measurement Possibilities of analog and incremental measurement by means of fiber optic sensor arrangements.

Alle genannten Schriften nutzen für die Abbildung optische Komponenten (Stablinsen, Linsen, Spiegel, Anpaßeinheit), die bei rauhen Umgebungsbedingungen (Staub, Schmutzfilm, Kondensat) einen aufwendigen und kostspieligen äußeren Schutz (Gehäuse mit Abdichtung) erfordern, um eine Ergebnisverfälschung der auszuwertenden optischen Empfangsleistung zu verhindern.All mentioned fonts use optical components (rod lenses, lenses, mirrors, matching unit) which require complex and costly external protection (housing with sealing) in harsh environmental conditions (dust, dirt film, condensate) in order to falsify the result of the optical reception power to be evaluated to prevent.

Dabei bildet die Oberflächenreinheit der optischen Flächen ein wichtiges Gütekriter'ium für den faseroptischen Sensor, insbesondere aber für das Sensorelement. Neben den stets vorzusehenden Gehäusen für die Sensorelemente sind unter besonders rauhen und aggressiven Umgebungsbedingungen (Chemieanlagen, Werkzeugmaschinenbau) Sondermaßnahmen zu einer weitestgehenden Verhinderung des Eindringens und der Ablagerung von Staub, Oberflächenbeschlägen usw. zu treffen.The surface purity of the optical surfaces forms an important quality criterion for the fiber-optic sensor, but especially for the sensor element. In addition to the always-to-be-provided housings for the sensor elements, under particularly harsh and aggressive environmental conditions (chemical plants, machine tool construction) special measures are to be taken to prevent as far as possible the penetration and deposition of dust, surface fittings, etc.

Die in den kommenden Jahren in industriellen Bereichen mit besonderen Anforderungen (Explosionsschutz, elektromagnetische Störbeeinflussung, Hochspannungspotential, chemisch-aggressive Umgebung usw.) vermehrt einzusetzenden faseroptischen Sensoren zeichnen sich zwar generell durch hohe Störimmunität und eine Reihe weiterer positiver Eigenschaften aus; sie müssen aber auf Grund des vorwiegend verwendeten Prinzips der Intensitätsmodulation im Bereich des Sensorelementes besondere Beachtung in bezug auf Störeinflußunterdrückung finden. Die hier infrage kommenden Störeinflüsse sind vor allem Ablagerungen auf den Flächen der Stablinsen. Diese Ablagerungen sind nun nicht nur Industriestaub unterschiedlich aggressiver Zusammensetzungen, sondern ebenso Kondensate, die auch noch ölhaltig sein können, oder sie haben Anteile von Säuren oder Basen. Die unvermeidliche Vermengung dieses Staubes mit den Kondensaten,Although the fiber optic sensors, which are to be increasingly used in industrial areas with special requirements (explosion protection, electromagnetic interference, high-voltage potential, chemically aggressive environment, etc.) in the coming years, are generally characterized by high interference immunity and a number of other positive properties; However, due to the predominantly used principle of intensity modulation in the region of the sensor element, they must find particular attention with respect to parasitic flux suppression. The interfering factors in question here are mainly deposits on the surfaces of the rod lenses. These deposits are now not only industrial dust different aggressive compositions, but also condensates, which may also be oily, or they have shares of acids or bases. The inevitable mixing of this dust with the condensates,

z. B. durch die Erschütterungen des rauhen Betriebes sowie durch andere physikalische Erscheinungen, führt zu einem Film mit hoher Haftfestigkeit. Dieser Film kann den Lichtaustritt aus den Stablinsen (Linsen, Spiegel, Anpaßeinheit) sowie unterbinden, daß der faseroptische Sensor nicht mehr zuverlässig arbeitet.z. B. by the shocks of rough operation and by other physical phenomena, resulting in a film with high adhesion. This film can prevent the light from the rod lenses (lenses, mirrors, Anpaßeinheit) and prevent the fiber optic sensor is no longer reliable.

Die möglichst vollständige und rechtzeitige Beseitigung dieser Beläge ist also von entscheidender Bedeutung für das störungsfreie Funktionieren derartiger Sensorelemente.The most complete and timely removal of these deposits is therefore of crucial importance for the trouble-free functioning of such sensor elements.

Sieht man sich in der Fach- und Patentliteratur des Suchfeldes nach geeigneten Reinigungsmethoden bzw. -mitteln um, so überrascht das geringe Angebot derartiger bekannter Lösungen. Auch wenn über das engere Fachgebiet der Sensorik hinausgegangen und in der allgemeinen Optik recherchiert wird, finden sich keine ausreichenden Hinweise für die zweckmäßige Beseitigung der auftretenden Beläge. Möglicherweise kann hieraus geschlossen werden, daß dieses Problem.in seiner Spezifik noch nicht voll erfaßt wurde. Darauf deutet hin, daß lediglich Vorrichtungen bekannt sind, mit denen reine Feuchtigkeitsniederschläge auf optischen Gläsern durch eine mit Widerstandsheizung arbeitende Anordnung verhindert werden können. Diese Anordnung gemäß DD 210996(G 02 B-7/00) kann nicht für die Beseitigung von Belägen aus Industriestaub vermischt mit Kondensaten dienen, z\idem ist es für das Anwendungsgebiet der Erfindung in der faseroptischen Sensorik ja gerade ausgeschlossen, elektrische Hilfsenergie zur Anwendung zu bringen. Auch eine Variation der Heizart, etwa Luftheizung, würde keinen Erfolg bringen, weil damit nur relativ reine, d. h. wässrige Kondensate beseitigt werden könnten. Die in DE 3412558 (G 02 C-13/00) erläuterte Vorrichtung zum Reinigen optischer Gläser, insbesondere Brillengläser, für Sehhilfen, bezieht sich auf eine ausschließlich manuell zu erzeugende Kreisbewegung von Reinigungsbacken für Anwendungen im nichtindustriellen Bereich.If one looks in the technical and patent literature of the search field for suitable cleaning methods or agents, so surprises the low supply of such known solutions. Even if it goes beyond the narrow field of sensor technology and is researched in general optics, there are no sufficient indications for the appropriate elimination of the deposits occurring. It may be concluded from this that this problem has not yet been fully grasped in its specificity. This indicates that only devices are known with which pure moisture precipitation on optical glasses can be prevented by a working with resistance heating arrangement. This arrangement according to DD 210996 (G 02 B-7/00) can not serve for the removal of coverings of industrial dust mixed with condensates, z \ idem it is just excluded for the field of application of the invention in the fiber optic sensor, electrical auxiliary energy for use bring to. Even a variation of the type of heating, such as air heating, would bring no success, because so only relatively pure, d. H. aqueous condensates could be eliminated. The apparatus described in DE 3412558 (G 02 C-13/00) for cleaning optical glasses, in particular spectacle lenses, for vision aids, refers to a solely manually generated circular movement of cleaning jaws for applications in the non-industrial area.

Da die Sensorelemente stets in möglichst gut schließenden Gehäusen untergebracht werden müssen, um sie vor den gröbsten Umwelteinflüssen zu bewahren, liefe eine analoge Anwendung der oben beschriebenen Idee darauf hinaus, beim Reinigungsvorgang stets das Gehäuse zu öffnen. 'Since the sensor elements always have to be accommodated in enclosures that close as well as possible in order to protect them from the coarsest environmental influences, an analogous application of the idea described above would be to always open the housing during the cleaning process. '

Abgesehen davon, daß dies zu praktisch untragbaren Konsequenzen hinsichtlich des Bedienaufwandes führt, kann das Öffnen des Gehäuses und das Reinigen von Sensorelementen, etwa einer Stablinse und/oder eines Reflektors im falschen Moment erfolgen, nämlich entweder dann, wenn das Sensorelement noch gar nicht beschmutzt ist oder dann, wenn die Reinigung so spät erfolgt, daß mit der üblichen routinemäßigen Reinigung von Hand keine ausreichende Säuberung der Stablinsen oder Reflektoren erfolgt.Apart from the fact that this leads to practically unacceptable consequences in terms of operating effort, the opening of the housing and the cleaning of sensor elements, such as a rod lens and / or a reflector can be done at the wrong moment, namely either when the sensor element is not soiled or if the cleaning is so late that, with the usual routine manual cleaning, there is no adequate cleaning of the rod lenses or reflectors.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat das Ziel, die notwendige Reinigung, insbesondere faseroptischer Sensorelemente wie Stablinsen, Linsen und Reflektoren (Spiegel) gegenüber Staub, insbesondere Industriestaub und Kondensaten, auch solchen mit ölhaltigen oder sauren oder basischen Bestandteilen allein und auch bei haftenden Gemischen/Gemengen aus Staub und Kondensaten zu gewährleisten und den Zeitaufwand für die Reinigung stark zu reduzieren sowie die Sicherheit des Reinigungseffektes wesentlich zu erhöhen.The invention has the aim of the necessary cleaning, especially fiber optic sensor elements such as rod lenses, lenses and reflectors (mirrors) against dust, especially industrial dust and condensates, even those with oil-containing or acidic or basic constituents alone and also with adhesive mixtures / mixtures of dust and To ensure condensates and greatly reduce the time required for cleaning and to increase the safety of the cleaning effect significantly.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Die Aufgabe gemäß der Erfindung besitzt u.a. den neuartigen Aspekt, zusätzliche Funktionselemente in eine zwangsläufige Wirkverbindung mit ohnehin vorhandenen Sensorelementen zu bringen; die Aufgabe erlaubtes, die bisherige Art und Weise der manuellen Reinigung der optischen Komponenten wie Stablinse, Linse, Spiegel oder Anpaßeinheit nahezu vollständig zu beseitigen und die Reinigung unabhängig von manueller Betätigung durchzuführen.The object according to the invention has i.a. the novel aspect, to bring additional functional elements in an inevitable operative connection with already existing sensor elements; the task allows to almost completely eliminate the previous manner of manual cleaning of optical components such as rod lens, lens, mirror or adapter unit and perform the cleaning independently of manual operation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem eine Reinigungseinrichtung konstruktiv mit der beweglichen Blende vereinigt wird. Die Reinigungseinrichtung kann sowohl ein- als auch beidseitig an der Blende angebracht sein, und sie besteht im wesentlichen aus einem Reinigungskörper, der aus einem kompressiblen und weichen Material, etwa Filz, Tuch oder Schwamm mit entsprechender Formgebung gebildet wird. Die Formgebung ist so gewählt, daß sowohl bei Ab- wie bei Aufwärtsbewegung der Blende, welche den oder die Reinigungskörper trägt, eine innige Berührung der gesamten optisch wirksamen Fläche mit dem Reinigungskörper erfolgt.According to the invention the object is achieved by a cleaning device is structurally combined with the movable panel. The cleaning device can be mounted both on one or both sides of the panel, and it consists essentially of a cleaning body, which is formed of a compressible and soft material, such as felt, cloth or sponge with appropriate shape. The shape is chosen so that both in Ab- as in upward movement of the diaphragm, which carries the cleaning body or, there is an intimate contact of the entire optically active surface with the cleaning body.

Der Reinigungskörper kann mit der Blende verklebt oder durch eine Fassung auswechselbar positioniert sein. In jedem Fall sollten damit bei der stets möglichen Herausnahme der Blende Bedingungen für einen leichten Neueinsatz eines sauberen Reinigungskörpers gegeben sein. Ein derartiger Wartungsaufwand ist durch wenige Handgriffe durchführbar, im Arbeitsablauf vertretbar und hängt in seiner Häufigkeit von den bestehenden Umgebungsbedingungen ab.The cleaning body can be glued to the panel or positioned interchangeable by a socket. In any case, should be given with the always possible removal of the aperture conditions for a slight new use of a clean cleaning body. Such maintenance can be carried out by a few simple steps, in the workflow justifiable and depends in its frequency on the existing environmental conditions.

Es ist — wie bereits gesagt — möglich, Reinigungskörper beidseitig der Blende für die vorgesehene Wischerbewegung vorzusehen. Die kompressiblen Materialien sind dabei stets in Größe, Form und Materialauswahl für die zu reinigenden optischen Komponenten (Stablinse, Linse, Spiegel) optimal auszuwählen.It is - as already said - possible to provide cleaning body on both sides of the panel for the intended wiper movement. The compressible materials are always optimal in size, shape and material selection for the optical components to be cleaned (rod lens, lens, mirror).

Während für faseroptische Sensoren zur Erfassung von Binärzuständen eine vollständige Abblendung (Licht, kein Licht) und damit beim Ein- und Ausschwenken der Blende eine Reinigung der optischen Oberfläche erfolgt, muß in allen anderen Fällen der Meßwerterfassung zu Beginn oder bei längerer Inbetriebnahme kurzzeitig während der Messungen eine Reinigungsbewegung vorgesehen werden. Diese erfolgt steuerseitig nach Bedarf bzw. zyklisch i. a. aus einer Warte und vermeidet den Aufwand, Arbeitskräfte im Anlagenbereich mit der manuellen Säuberung der nicht immer gut zugänglichen optischen Komponenten in Sensorelementen zu beauftragen.While for fiber-optic sensors for detecting binary states, a complete dimming (light, no light) and thus cleaning the optical interface surface when swiveling in and out of the aperture, in all other cases, the data acquisition at the beginning or during prolonged use briefly during the measurements a cleaning movement can be provided. This takes place on the tax side as required or cyclically i. a. from a control room and avoids the effort to instruct workers in the plant area with the manual cleaning of the not always easily accessible optical components in sensor elements.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Prinzip der Oberflächenreinigung optischer Komponenten faseroptischer Sensoren beim Einsatz in Industrieanlagen zeichnet sich durch geringen Aufwand, niedrige Kosten sowie einfache konstruktive Gestaltung aus und trägt wesentlich zur einwandfreien Funktion des Sensorelementes in bezug auf eine unverfälschte MeßwerterfassungThe inventively proposed principle of surface cleaning of optical components of fiber optic sensors when used in industrial plants is characterized by low cost, low cost and simple design and contributes significantly to the proper functioning of the sensor element with respect to an unaltered data acquisition

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment and with reference to a drawing.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der konstruktiven Ausführungsform eines faseroptischen Sensorelementes mit einer beweglichen Blende.The drawing shows a schematic representation of the structural embodiment of a fiber optic sensor element with a movable aperture.

An einer beweglichen Blende 1 ist erfindungsgemäß ein Reinigungskörper 2, der aus Filz, Tuch, Schwamm oder ähnlichem bestehen kann, in einer Fassung 3 befestigt. Fassung 3 ermöglicht das problemlöse Auswechseln des Reinigungskörpers 2 bei Verschmutzung entsprechend vorgesehener Wartungszyklen. Durch Einwirken einer Meßgröße oder steuerseitig nach Bedarf bzw. zyklisch wird der Reinigungskörper 2 infolge der Bewegung der beweglichen Blende 1 über die konvexe Fläche der Stablinse 4 geführt, wobei der erfindungsgemäße Reinigungseffekt erzielt wird. Somit wird eine ständige Oberflächenreinheit der Konvexfläche erreicht, die konstante Übertragungsbedingungen für die optische Strahlung der Stablinse 4 gewährleistet. Die Stablinse 4 als optische Komponente befindet sich in einem bekannten Stablinsenadapter 5, der in einem Grundkörper 6 auswechselbar eingeschraubt ist. Sensorelement 7 dient zur Aufnahme des Grundkörpers Bund der beweglichen Blende 1. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Zuverlässigkeit und der Gebrauchswert des Sensorelementes wesentlich verbessert.On a movable panel 1 according to the invention a cleaning body 2, which may consist of felt, cloth, sponge or the like, mounted in a socket 3. Version 3 allows the problem-solving replacement of the cleaning body 2 in case of contamination according to scheduled maintenance cycles. By acting on a measured variable or control side as needed or cyclically, the cleaning body 2 is guided as a result of the movement of the movable diaphragm 1 on the convex surface of the rod lens 4, wherein the cleaning effect of the invention is achieved. Thus, a constant surface purity of the convex surface is achieved, which ensures constant transmission conditions for the optical radiation of the rod lens 4. The rod lens 4 as an optical component is located in a known rod lens adapter 5, which is screwed interchangeable in a base body 6. Sensor element 7 serves to receive the main body of the movable diaphragm aperture 1. The solution according to the invention substantially improves the reliability and the functional value of the sensor element.

Claims (1)

Faseroptisches Sensorelement mit beweglicher Blende, weiteren optischen Komponenten, wie Stablinsen, Reflektoren o. dgl., einem mit der Stablinse verbundenen Lichtwellenleiter für die Übertragung von binären, temären oder analogen Signalen mittels entsprechendem Eingriff der beweglichen Blende in einen durch die Stablinse aufgeweiteten Lichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer beweglichen Blende (1) ein- oder beidseitig eine Reinigungseinrichtung angeordnet ist, die dargestellt wird von einem Reinigungskörper (2) aus kompressiblem Material, wie Filz, Tuch, Schwamm o.a., und mit einer Formgebung, die der zu reinigenden optischen Komponente, z. B. der Stablinse (4), angepaßt ist, wobei der Reinigungskörper (2) mit oder ohne eine Fassung (3) fest oder auswechselbar auf der Blende (1) angeordnet ist.Fiber optic sensor element with movable diaphragm, other optical components such as rod lenses, reflectors o. The like., Connected to the rod lens optical fiber for the transmission of binary, ternary or analog signals by means of appropriate engagement of the movable diaphragm in a flared by the rod lens light beam, characterized characterized in that on one movable panel (1) one or both sides a cleaning device is arranged, which is represented by a cleaning body (2) made of compressible material, such as felt, cloth, sponge, etc., and with a shape that the optical to be cleaned Component, e.g. B. the rod lens (4), is adapted, wherein the cleaning body (2) with or without a socket (3) fixed or interchangeable on the panel (1) is arranged. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing