DE102005016641B4

DE102005016641B4 - Arrangement and method for optical pressure measurement in environments with increased requirements for explosion protection and / or EMC resistance

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Publication number: DE102005016641B4
Application number: DE200510016641
Authority: DE
Inventors: Matthias Prof. Dr.-Ing. Viehmann; Uwe Dipl.-Ing. Schneider; Karin Schultheis; Hannes Dipl.-Ing. Schache (FH)
Original assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Current assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: DE102005016641A1

Abstract

Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und/oder an die EMV-Festigkeit, nach welchem ein optischer Drucksensor (1) mit Licht bestrahlt und das von einer Sensorfolie (1.a) des einem Druck ausgesetzten Drucksensors (1) reflektierte Licht einer Photodiode zur Auswertung zugeführt wird, wobei der optische Drucksensor (1) mit monochromatischen Licht bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Photodiode unmittelbar die Änderung der Selektivreflexionswellenlänge des reflektierten Lichtes ausgewertet wird, welche aus der, durch den auf den Drucksensor (1) jeweils wirkenden Druck verursachten Verformung der Sensorfolie (1.a) resultiert, wobei zur Bestimmung des auf die Sensorfolie (1.a) wirkenden Drucks die für die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit gegebene Kennlinie der Photodiode genutzt wird, welche einen von der Wellenlänge des reflektierten Lichts und damit von dem einwirkenden Druck abhängigen Strom liefert.Method for optical pressure measurement in environments with increased requirements for explosion protection and / or for EMC resistance, according to which an optical pressure sensor (1) is irradiated with light and emitted by a pressure sensor (1) of the pressure sensor (1) Reflected light is supplied to a photodiode for evaluation, wherein the optical pressure sensor (1) is irradiated with monochromatic light, characterized in that at the photodiode immediately the change of the selective reflection wavelength of the reflected light is evaluated, which from the on the pressure sensor ( Deformation of the sensor film (1.a) results in each case, whereby the characteristic of the photodiode given for the wavelength-dependent sensitivity, which is one of the wavelength of the reflected light, is used to determine the pressure acting on the sensor film (1.a) and thus supply of the acting pressure dependent power t.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und/oder an den Grad der Festigkeit bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), wobei insbesondere Messungen in einem Gas- oder Flüssigkeitsbehälter und/oder in seiner Umgebung von Interesse sind. Hinsichtlich des Explosionsschutzes können die Anordnung und das Verfahren für die Druckmessung in explosionsgefährdeten Umgebungen zum Einsatz kommen, in denen Gefahren durch elektrische und nichtelektrische Zündquellenarten wie beispielsweise Funken, Flammen, Lichtbögen, hohe Oberflächentemperaturen, Schallenergie, elektromagnetische Wellen und andere Quellen mit zündfähigem Potential zu vermeiden sind. Darüber hinaus kann der Einsatz der Erfindung in Umgebungen erfolgen, welche ein hohes EMV-Gefährdungspotential beispielsweise durch Störfelder aufweisen, wobei sich die Druckmessung gegenüber diesen durch eine Unempfindlichkeit auszeichnet. Die Anordnung zur Druckmessung selbst verursacht keine EMV-Störungen.The The invention relates to an arrangement and a method for optical Pressure measurement in environments with increased requirements for explosion protection and / or the degree of strength with respect to the electromagnetic compatibility (EMC), in particular measurements in a gas or liquid container and / or in his environment are of interest. With regard to explosion protection can the arrangement and the procedure for the pressure measurement in explosion-endangered Environments are used where electrical hazards and non-electrical sources of ignition such as for example, sparks, flames, arcs, high surface temperatures, Sound energy, electromagnetic waves and other sources ignitable potential to avoid. About that In addition, the use of the invention can be carried out in environments which a high EMC risk potential, for example through interference fields have, wherein the pressure measurement against these by a insensitivity distinguished. The pressure measurement arrangement itself does not cause any EMC interference.

Um die erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und an die EMV-Festigkeit erfüllen zu können, scheiden der elektrische Strom und die elektrische Spannung als Signalträger aus, da beide bei Beschädigung der Messanordnung, insbesondere des sensorischen Teils, eine Zündquelle darstellen (Funken, Lichtbögen) und zudem der Signalweg mit einem elektrischen Signalträger eine EMV-Empfindlichkeit aufweist. Demzufolge bietet sich als Signalträger die nichtelektrische Größe Licht an. Neben der Erfüllung der geschilderten Anforderungen sollen Anordnung und Verfahren in einer aufwandsarmen Lösung umsetzbar sein und eine Verwendbarkeit für Druckmessungen in einem weiten Wertebereich, insbesondere auch für kleine Drücke, aufweisen. Aufwandsarm bezieht sich dabei auf die Gestaltung und Herstellung des sensorischen Elementes, auf die Ausführung der elektronischen Auswerteeinheit mit einem optisch/elektrischen Wandler und auf das Messverfahren.Around the raised Requirements for explosion protection and EMC resistance fulfill to be able to divide the electric current and the electric voltage as signal carrier out, as both are damaged the measuring arrangement, in particular the sensory part, an ignition source represent (sparks, arcs) and also the signal path with an electrical signal carrier Has EMC sensitivity. Consequently, offers as a signal carrier the non-electric size light at. In addition to fulfillment The requirements outlined are intended to be in arrangement and method a low-effort solution be feasible and a usability for pressure measurements in a wide Range of values, especially for small pressures have. little effort refers to the design and manufacture of the sensory Elementes, on the execution the electronic evaluation unit with an optical / electrical Transducer and on the measuring method.

Die Messanordnung mit ihrem Sensor soll eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Dies kann für die Sensoranwendung auf der Basis von cholesterischen Flüssigkristallen (cholesteric liquid crystal ChLC) durch die Anbindung der flüssigkristallinen Einheiten an ein Polymernetzwerk erreicht werden.The Measuring arrangement with its sensor should have a low temperature dependence exhibit. This can be for the sensor application based on cholesteric liquid crystals (cholesteric liquid crystal ChLC) by the attachment of the liquid-crystalline Units are reached to a polymer network.

Die Nutzung cholesterischer Kristalle zur Messung veränderter äußerer Bedingungen, z. B. Druck, Temperatur, Dehnung, ist bekannt und zählt somit zum Stand der Technik. Aus der WO03050576 /1/ ist ein gepulster chiraler Laser bekannt, welcher u. a. auch Drücke und deren Veränderungen messen kann. Es handelt sich hierbei um die Anwendung von niedermolekularen cholesterischen Flüssigkristallen, wobei hierbei eine relativ große Temperaturabhängigkeit der Messwerte vorliegt.The use of cholesteric crystals to measure changed external conditions, eg. As pressure, temperature, strain, is known and thus belongs to the state of the art. From the WO03050576 / 1 / is a pulsed chiral laser known, which among other things also pressures and their changes can measure. This involves the application of low molecular weight cholesteric liquid crystals, whereby a relatively large temperature dependence of the measured values is present.

Für die Messung große Drücke, beispielsweise Bereiche von 20 MPa bis 150 MPa, sind aus US5128535 /2/ und CA2047869 /3/ verschiedene Anordnungen bekannt, welche niedermolekulare ChLC in Verbindung mit Lichtwellenleitern (LWL) nutzen, um über das Einstrahlen definierter Wellenlängen in das ChLC-Element und das Messen der Änderung der wellenlängenabhängigen Intensität des reflektierten Lichtes Auskunft über die Druckänderungen zu geben. Diese Anordnungen nutzen die intrinsische Druckabhängigkeit der cholesterischen Phase, wobei dieses intrinsische Verhalten auch temperaturabhängig ist. Daher weisen die Anordnungen bezogen auf die mit ihrer Hilfe erhältlichen Messwerte eine relativ hohe Temperaturempfindlichkeit auf. Hierdurch und aus der Tatsache, dass die Druckmessung über den Umweg einer Messung der Intensität des reflektierten Lichtes erfolgt, ergibt sich insbesondere bei der Nutzung der Anordnungen in einem niedrigen Temperaturbereich ein erhöhter messtechnischer Aufwand.For the measurement of high pressures, for example ranges from 20 MPa to 150 MPa, are out US5128535 / 2 / and CA2047869 Various arrangements are known which use low molecular weight ChLC in conjunction with optical fibers (LWL) to provide information about the pressure changes by irradiating defined wavelengths into the ChLC element and measuring the change in the wavelength-dependent intensity of the reflected light. These arrangements utilize the intrinsic pressure dependence of the cholesteric phase, and this intrinsic behavior is also temperature dependent. Therefore, the arrangements have a relatively high temperature sensitivity relative to the measurements available with their help. In this way, and from the fact that the pressure measurement takes place via the detour of a measurement of the intensity of the reflected light, an increased metrological effort results, in particular when using the arrangements in a low temperature range.

Aus der US5270781 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die optische Druckmessung unter Ausnutzung der Wechselwirkungen auf eine Laminatstruktur auftreffenden Lichts mit einer Schicht der betreffenden Struktur erfolgt. Die entsprechende Wechselwirkung tritt in der obersten Schicht der Laminatstruktur auf, welche durch einen Film monomerer Flüssigkristalle gebildet ist, wobei die messtechnische Auswertung wiederum über eine Intensitätsmessung des von der Laminatstruktur reflektierten Lichts erfolgt.From the US5270781 An arrangement is known in which the optical pressure measurement takes place by utilizing the interactions on a laminate structure incident light with a layer of the structure in question. The corresponding interaction occurs in the uppermost layer of the laminate structure, which is formed by a film of monomeric liquid crystals, wherein the metrological evaluation again takes place via an intensity measurement of the light reflected from the laminate structure.

Das in der Schrift DE3228562 /4/ beschriebene optische Druckmessverfahren für hohe und höchste Drücke verwendet ChLC in einfacher Strukturierung und weist den bereits beschriebenen Nachteil der Temperaturabhängigkeit auf. Es wird linear polarisiertes Licht verwendet, wobei hohe Druckwerte notwendig sind, um den Flüssigkristall zu verformen.This in Scripture DE3228562 / 4 / described high pressure and high pressure optical pressure measurement using ChLC in simple structuring and has the disadvantage of temperature dependence already described. Linearly polarized light is used, where high pressures are necessary to deform the liquid crystal.

In zahlreichen weiteren Schriften sind Anordnungen und Verfahren beschrieben, bei denen die Anwendung von Licht für Messzwecke eine Rolle spielt. So ist in GB2159944 /5/ ist ein optischer Sensor für explosionsgefährdete Räume dargestellt, bei welchem polarisiertes Licht (ohne ChLC, nur transparente Materialien) zum Einsatz kommt. Mit der in EP119117 /6/ beschriebenen Anordnung sind Messungen von Druckveränderungen möglich. Dazu sind ein gebündelter Lichtstrahl und ein zugehöriger Empfänger nötig, welcher positive oder negative Deformationen einer Wandung registriert. Notwendig dafür ist ein zusätzlicher Druckmesser zur Referenzdruckmessung.Numerous other documents describe arrangements and methods in which the use of light for measurement purposes plays a role. So is in GB2159944 / 5 / is an optical sensor for explosive atmospheres in which polarized light (without ChLC, only transparent materials) is used. With the in EP119117 / 6 / described measurements of pressure changes are possible. For this purpose, a bundled light beam and an associated receiver are needed, which positive or negative Defor registered a wall. Necessary for this is an additional pressure gauge for reference pressure measurement.

Die in DE19938978 /7/, WO0033048 /8/ und EP1008840 /9/ beschriebenen optischen Druckmessvorrichtungen verwenden alle als Messmittel faseroptische Bragg-Gitter. Diese Art LWL besitzt einen relativ komplizierten Aufbau und verlangt eine aufwendige Auswerteeinheit.In the DE19938978 / 7 /, WO0033048 / 8 / and EP1008840 The optical pressure measuring devices described in US Pat. This type LWL has a relatively complicated structure and requires a complex evaluation.

Die Schrift EP541587 /10/ beschreibt ein Sensormaterial, das elastisch verformbar ist und mindestens 2 Einschlüsse enthält, welche aus optisch aktiven Fasersegmenten bestehen. Der Abstand zwischen den Einschlüssen ändert sich durch Verformung, was zu Änderungen der Lichtenergie führt und die Druckbestimmung ermöglicht. Nachteilig ist, dass für die Transmissionsmessung transparentes Membranmaterial benötigt wird, um das Lichtbündel bestimmter Wellenlänge durchzulassen.The font EP541587 / 10 / describes a sensor material that is elastically deformable and contains at least 2 inclusions, which consist of optically active fiber segments. The distance between the inclusions changes due to deformation, which leads to changes in the light energy and enables the pressure determination. The disadvantage is that transparent membrane material is required for the transmission measurement in order to transmit the light bundle of specific wavelength.

Die unter DE4018998 /11/ dargestellten faseroptischen Drucksensoren besitzen Membranen als Druckaufnehmer und nutzen polarisiertes Licht, wobei ganze Bündel von LWL verarbeitet werden und zusätzlich Verspiegelungen zum Einsatz kommen.The under DE4018998 / 11 / fiber optic pressure sensors have membranes as pressure transducers and use polarized light, whereby whole bundles of fiber optics are processed and additionally mirror coatings are used.

Aufgabe der Erfindung ist es, Druckmessungen unter Ausnutzung des Lichtes in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und an die EMV-Festigkeit zu ermöglichen, wobei eine Lösung mit wenig Aufwand bei der Gestaltung und Herstellung des sensorischen Elementes, bei der Ausführung der elektronischen Auswerteeinheit mit einem optisch/elektrischen Wandler und Messverfahren zum Einsatz kommen soll, welche darüber hinaus eine Verwendbarkeit für Druckmessungen in einem weiten Wertebereich, insbesondere auch für kleine Drücke besitzt und welches durch eine hohe Temperaturunabhängigkeit der Messwerte charakterisiert ist.task The invention is to pressure measurements using light in environments with elevated Requirements for explosion protection and for EMC resistance a solution with little effort in the design and manufacture of the sensory Element, in the execution the electronic evaluation unit with an optical / electrical Transducer and measuring method is to be used, which in addition a usability for Pressure measurements in a wide range of values, especially for small pressures owns and which by a high temperature independence the measured values is characterized.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches und durch eine Anordnung mit den Merkmalen des ersten Sachanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.The The object is achieved by a method having the features of the main claim and by an arrangement having the features of the first claim solved. Advantageous embodiments and further developments are given by the dependent claims.

Die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an Explosionsschutz und/oder EMV-Festigkeit werden wie folgt beschrieben, wobei ein Ausführungsbeispiel der näheren Erläuterung dient. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The proposed arrangement and the proposed method for optical Pressure measurement in environments with increased requirements for explosion protection and / or EMC resistance are described as follows, wherein a embodiment the closer explanation serves. The associated Drawings show:

1: Eine grundsätzliche Ausführungsform der Anordnung der Erfindung 1 : A basic embodiment of the arrangement of the invention

2: Eine grundsätzliche Ausführungsform des optischen Drucksensors 2 : A basic embodiment of the optical pressure sensor

Durch die 1 wird die erfindungsgemäße Anordnung in einer symbolischen Darstellung wiedergegeben. Die Anordnung wird mittels optischen Drucksensor 1, mittels Lichtwellenleiter 2 zum Drucksensor und einem Lichtwellenleiter 3 vom Drucksensor 1 und mittels hermetisch abgeschlossenem Gehäuse 4 mit weiteren Bestandteilen gebildet. Im hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 4 befinden sich ein Wandlerbaustein 5 mit Photodiode, Verstärker und Lichtquelle, vorzugsweise mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle mit weißem Licht, ein Mikrokontroller 6 mit Analog/Digitalwandler und Speicher, ein Interfacebaustein 7 mit einer Verbindung zu einem drahtgebundenen oder drahtlosen Bussystem 8 und eine Stromversorgungseinheit 9 mit drahtgebundener Energiezufuhr oder Energiespeichern, z. B. Batterien, wobei ebenso Energiequellen wie beispielsweise Solarzellen zum Einsatz kommen können.By the 1 the arrangement according to the invention is reproduced in a symbolic representation. The arrangement is made by means of optical pressure sensor 1 , by optical fiber 2 to the pressure sensor and an optical fiber 3 from the pressure sensor 1 and by hermetically sealed housing 4 formed with further components. In hermetically sealed housing 4 are a converter module 5 with photodiode, amplifier and light source, preferably with a light emitting diode as a light source with white light, a microcontroller 6 with analog / digital converter and memory, an interface module 7 with a connection to a wired or wireless bus system 8th and a power supply unit 9 with wired power supply or energy storage, eg. As batteries, as well as energy sources such as solar cells can be used.

Den Hauptbestandteil des optischen Drucksensors 1 bildet die flexible Sensorfolie 1a aus cholesterischem Polymernetzwerk, auch bezeichnet als vernetzte cholesterische Elastomere, welche eine verformungsabhängige, aber weitgehend temperaturunabhängige Verschiebung der Selektivreflexionsbande aufweisen. Flüssigkristalline Elastomere werden durch die Anbindung von flüssigkristallinen Einheiten an eine Polymerhauptkette und anschließende UV- Vernetzung hergestellt. Gegenüber niedermolekularen cholesterischen Flüssigkristallen weisen diese neuartigen Polymernetzwerke eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit der Selektivreflexionswellenlänge auf.The main component of the optical pressure sensor 1 forms the flexible sensor foil 1a from cholesteric polymer network, also referred to as crosslinked cholesteric elastomers, which have a deformation-dependent, but largely temperature-independent shift of the selective reflection band. Liquid-crystalline elastomers are prepared by attaching liquid-crystalline units to a polymer backbone followed by UV crosslinking. Compared to low molecular weight cholesteric liquid crystals, these novel polymer networks have a very low temperature dependence of the selective reflection wavelength.

Darüber hinaus besteht der optische Drucksensor 1 aus einem flexiblen Folienträger 1.b, aus einem Sensorteil 1.c mit Lichtwellenleiteraufnahme, Justiereinrichtung für LWL-Position und Verbindungselementen, aus einem Sensorteil 1d mit Drucköffnung und Verbindungselementen und bei Bedarf aus einem Druckaufnehmer 1.e, welcher für Befestigungszwecke am Messobjekt hilfreich mit Gewinde oder Pressrohr versehen sein kann.In addition, there is the optical pressure sensor 1 from a flexible film carrier 1.b , from a sensor part 1.c with optical fiber mount, alignment device for fiber optic position and connecting elements, from a sensor part 1d with pressure opening and connecting elements and if necessary from a pressure transducer 1.e , which can be helpful for attachment purposes on the test object provided with thread or press tube.

Das Verfahren kann wie folgt beschrieben werden. Der optische Drucksensor 1 befindet sich in einer Umgebung mit erhöhten Anforderungen an Explosionsschutz und/oder EMV-Festigkeit und das hermetisch abgeschlossene Gehäuse 4 mit seinen Bestandteilen kann aufgrund der Längen des Lichtwellenleiters 2 zum Drucksensor 1 und des Lichtwellenleiters 3 vom Drucksensor 1 außerhalb dieser Umgebung untergebracht werden. Die Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk wird mit weißem Licht aus der Lichtquelle, vorteilhaft einer Leuchtdiode, des Wandlerbausteins 5 mit Photodiode, Verstärker und Lichtquelle über den Lichtwellenleiter 2 bestrahlt. Im Ergebnis der Bestrahlung von der Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk wird von ihr reflektiertes monochromatisches Licht aufgrund der Justierung in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt und dem Wandlerbaustein 5 mit der Photodiode zugeführt. Dabei verursacht bereits eine geringe Druckbeauflagung eine geringfügige Verformung der Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk mit Folienträger 1.b und aufgrund der Ankopplung der cholesterischen Phasenstruktur an die makroskopische Dimension des Folienmaterials erfolgt eine druckproportionale aber nahezu temperaturunabhängige Verschiebung der Selektivreflexionsbande und damit der Wellenlänge des reflektierten monochromatischen Lichtes. Diese Verschiebung der Selektivreflexionsbande, also eine differentielle Änderung, wird ermittelt und stellt, im Vergleich zu anderen Verfahren, bei denen die Änderung der Lichtintensität von Bedeutung ist, die Grundlage für die Druckmessung im Rahmen der Erfindung dar. Mithin ist nicht die intrinsische Druckabhängigkeit der cholesterischen Phase ausschlaggebend bei der Messung sondern die verformungsbedingte Modifizierung der Phasenstruktur der an das Netzwerk angebundenen cholesterischen Phase. Geringste Verformungen und damit geringste Drücke genügen, um eine Verschiebung der Selektivreflexionen hin zu kürzeren Wellenlängen zu erzielen.The method can be described as follows. The optical pressure sensor 1 is in an environment with increased requirements for explosion protection and / or EMC resistance and the hermetically sealed housing 4 with its components may be due to the lengths of the optical fiber 2 to the pressure sensor 1 and the optical fiber 3 from the pressure sensor 1 be housed outside this environment. The sensor foil 1.a. From cholesteric polymer network is with white light from the light source, advantageously a light emitting diode, the converter module 5 with photodiode, amplifier and light source over the light waves ladder 2 irradiated. As a result of irradiation of the sensor film 1.a. From cholesteric polymer network is reflected by her monochromatic light due to the adjustment in the optical waveguide 3 coupled and the converter block 5 supplied with the photodiode. Even a slight pressure build-up causes a slight deformation of the sensor film 1.a. made of cholesteric polymer network with foil carrier 1.b and due to the coupling of the cholesteric phase structure to the macroscopic dimension of the film material, a pressure-proportional but almost temperature-independent displacement of the selective reflection band and thus the wavelength of the reflected monochromatic light takes place. This shift in the selective reflection band, ie a differential change, is determined and, in comparison to other methods in which the change in the light intensity is important, forms the basis for the pressure measurement in the context of the invention. Thus, the intrinsic pressure dependence of the cholesteric is not Phase crucial in the measurement but the deformation-induced modification of the phase structure of the attached to the network cholesteric phase. The slightest deformations and thus the lowest pressures are sufficient to achieve a shift of the selective reflections towards shorter wavelengths.

Zur Erfassung der Verschiebung der Selektivreflexionswellenlänge wird auf einfache Art und Weise die wellenlängenabhängige bzw. spektrale Empfindlichkeit/Kennlinie der Photodiode im Wandlerbaustein 5 genutzt, welche einen von der Wellenlänge des auftreffenden reflektierten, monochromatischen Lichtes und damit vom Druck abhängigen elektrischen Strom liefert, der verstärkt und digitalisiert vom Mikrokontroller 6 mit zugehörigem Analog/Digitalwandler und Speicher verwendet wird, um die Verschiebung der Selektivreflexionsbande zu ermitteln. Eine Firmware im Mikrokontroller 6, welche neben den Betriebsfunktionen der Datenerfassung, Datenaufbereitung und Datenauswertung wahlweise die vorteilhaften Funktionen Selbstkalibrierung, Korrektur des Hysterese- und Driftverhaltens, insbesondere bezogen auf das Verhalten der Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk, und der Nichtlinearitäten, beispielsweise der Kennlinie der Photodiode im Wandlerbaustein 5 sowie Energiemanagement besitzen kann, ermöglicht, dass das Messergebnis über den Interfacebaustein 7 und das drahtgebundene oder drahtlose Bussystem 8 zu einer übergeordneten Signalisierungs- oder Datenverarbeitungseinheit übertragen werden kann. Dabei sind Bussysteme der Fahrzeug- und Automatisierungstechnik denkbar, z. B. CAN, LIN, Feldbussysteme, RS 232, RS 485, aber auch Ethernet sowie USB und Systeme im Funkbereich, z. B. Bluetooth, GSM, GSM-R, 868 MHz-Systeme.In order to detect the shift of the selective reflection wavelength, the wavelength-dependent or spectral sensitivity / characteristic of the photodiode in the converter module is simply determined 5 used, which provides one of the wavelength of the incident reflected, monochromatic light and thus the pressure-dependent electrical current amplified and digitized by the microcontroller 6 with associated analog to digital converter and memory is used to determine the shift of the selective reflection band. A firmware in the microcontroller 6 , which in addition to the operational functions of data acquisition, data processing and data evaluation either the advantageous functions self-calibration, correction of the hysteresis and drift behavior, in particular based on the behavior of the sensor film 1.a. from cholesteric polymer network, and the nonlinearities, for example, the characteristic of the photodiode in the converter module 5 and energy management, allows the measurement result via the interface module 7 and the wired or wireless bus system 8th can be transmitted to a higher level signaling or data processing unit. In this case, bus systems of vehicle and automation technology are conceivable, for. B. CAN, LIN, fieldbus systems, RS 232, RS 485, but also Ethernet and USB and systems in the radio range, eg. Bluetooth, GSM, GSM-R, 868 MHz systems.

Das Material des Folienträgers 1.b, welcher den Sensorinnenraum gegen das Messmedium abgrenzt, kann variabel gewählt werden, vorteilhaft scheibenförmig aus Metall, Kunststoff, Gewebe oder Edelmetall, so dass Folienträger 1.b aus unterschiedlichem Material und mit verschiedenen Abmessungen die Anordnung für den Einsatz in unterschiedlichen Druckbereichen befähigen. Darüber hinaus kann die Materialauswahl in der Form erfolgen, dass der Einsatz des optischen Drucksensors 1 in Medien mit gasförmigem, flüssigem oder staubförmigen sowie darüber hinaus aggressivem Zustand möglich ist. Der Folienträger 1.b kann mit der Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk beschichtet, beklebt oder hinterlegt sein. Darüber hinaus kann in Abhängigkeit von Druckbereich und Young Modul/Dicke der Sensorfolie 1.a auch auf den Folienträger 1.b verzichtet werden.The material of the film carrier 1.b , which delimits the sensor interior against the measuring medium, can be variably selected, advantageously disc-shaped metal, plastic, fabric or precious metal, so that film carrier 1.b made of different material and with different dimensions enable the arrangement for use in different pressure ranges. In addition, the choice of materials can be made in the form that the use of the optical pressure sensor 1 in media with gaseous, liquid or dusty and beyond aggressive state is possible. The film carrier 1.b can with the sensor film 1.a. be coated, pasted or deposited from cholesteric polymer network. In addition, depending on pressure range and Young's modulus / thickness of the sensor film 1.a. also on the film carrier 1.b be waived.

Für den Zweck einer einfachen Montierbarkeit und Instandsetzung des Systems können der optische Drucksensor 1, der Lichtwellenleiter 2 zum Drucksensor 1, der Lichtwellenleiter 3 vom Drucksensor 1 und das hermetisch abgeschlossene Gehäuse 4 über nichtlösbare oder über steckbare Verbindungen miteinander verbunden sein.For the purpose of easy assembly and repair of the system, the optical pressure sensor 1 , the fiber optic cable 2 to the pressure sensor 1 , the fiber optic cable 3 from the pressure sensor 1 and the hermetically sealed housing 4 be connected to each other via non-detachable or pluggable connections.

Für einen energiereduzierten bzw. -optimierten Messbetrieb mit dem Ziel, die Standzeit eines Energiespeichers zu verlängern, kann der Mikrokontroller 6 mit zugehörigem Analog/Digitalwandler und Speicher durch die Firmware mit der Funktion Energiemanagement zyklisch Lichtimpulse für Messzwecke erzeugen. Zudem ist es realisierbar, dass durch die Firmware mit der Funktion Selbstkalibrierung im drucklosen Zustand ein Nullpunktabgleich durchgeführt wird, welcher während des Messbetriebes auf der Grundlage der Ermittlung der Verschiebung der Selektivreflexionsbande für eine Reduzierung des systematischen Systemfehlers sorgt.For an energy-reduced or -optimized measuring operation with the aim of extending the life of an energy storage, the microcontroller 6 with associated analog / digital converter and memory through the firmware with the function energy management cyclically generate light pulses for measurement purposes. In addition, it is feasible that zero-point adjustment is performed by the firmware with the function self-calibration in the pressureless state, which ensures a reduction of the systematic system error during the measuring operation on the basis of the determination of the shift of the selective reflection band.

Letztendlich kann der Folienträger 1.b mechanisch fest mit einem Messobjekt verbunden sein, was beispielsweise durch Aufschrauben, Aufkleben, Auflöten, Auf(punkt)schweißen oder Festklemmen geschehen kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, vergleichbar mit einem Dehnungsmessstreifen, Verformungen des Messobjektes und damit einwirkende Kräfte zu ermitteln.Ultimately, the film carrier 1.b be mechanically firmly connected to a test object, which can be done for example by screwing, gluing, soldering, on (point) welding or clamping. This makes it possible, similar to a strain gauge, to determine deformations of the measured object and thus acting forces.

Für den Zweck einer Systemüberwachung auf kritische Druckzustände liegt eine einfache Art und Weise der Detektion des drucklosen Zustands, definierter Druckzustände ungleich drucklos oder des Verlassens derart definierter Zustände vor, wenn die Sensorfolie 1a mit monochromatischem Licht aus der Lichtquelle, vorteilhaft einer Leuchtdiode des Wandlerbausteins 5, über den Lichtwellenleiter 2 bestrahlt wird. Im Ergebnis der Bestrahlung von der Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk wird in diesem Fall nur dann dieses eingestrahlte Licht mit ebendieser Wellenlänge reflektiert, wenn der optische Drucksensor 1 einem bestimmten Druck ausgesetzt ist und folglich die Ankopplung der cholesterischen Phasenstruktur an die makroskopische Dimension des Folienmaterials auf einem bestimmten Niveau vorliegt bzw. die Sensorfolie 1.a aus cholesterischem Polymernetzwerk einer bestimmten Verformung unterliegt. Dabei kann die Wahl der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes auch auf eine Reflexion im drucklosen Zustand abzielen. Vereinfachend kann dem Wandlerbaustein 5 mit Wandlerbaustein 5 mit Photodiode, Verstärker und Lichtquelle anstelle des Mikrokontrollers 6 mit Analog/Digitalwandler und Speicher ein Komparatorbaustein mit einem einstellbaren Referenzwert folgen.For the purpose of system monitoring for critical pressure conditions, there is a simple way of detecting the unpressurised state, defined pressure states unequally unpressurized or leaving states defined in this way when the sensor film 1a with monochromatic light from the light source, advantageously a light emitting diode of the converter module 5 , over the fiber optic cable 2 is irradiated. As a result of irradiation of the sensor film 1.a. made of cholesteric polymer network is in In this case, only this incident light with this same wavelength reflected when the optical pressure sensor 1 is exposed to a certain pressure and consequently the coupling of the cholesteric phase structure to the macroscopic dimension of the film material is present at a certain level or the sensor film 1.a. from cholesteric polymer network undergoes a certain deformation. The choice of the wavelength of the incident light can also be aimed at a reflection in the unpressurized state. For simplification, the converter module 5 with converter module 5 with photodiode, amplifier and light source instead of the microcontroller 6 with analog / digital converter and memory, follow a comparator module with an adjustable reference value.

Die Erfindung mit Anordnung und Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an Explosionsschutz und/oder EMV-Festigkeit kann in Straßen- und Schienenfahrzeugen, z. B. an oder in Tankwagen, in der Automatisierungstechnik, im Chemieanlagenbau sowie in anderen Bereichen mit entsprechenden Anforderungen zum Einsatz kommen. Sie kann dazu beitragen, die Anlagen gemäß Ex-Schutz-Tauglichkeit nach Gerätegruppe II, Kategorie 1 und gemäß EMV- und Bahnfestigkeit nach EN 50 155, EN 55 022, IEC 801.3/4 auszubilden.The Invention with arrangement and method for optical pressure measurement in environments with elevated Requirements for explosion protection and / or EMC resistance can be found in road and rail vehicles, z. B. on or in tankers, in automation technology, in chemical plant engineering and in other areas with appropriate requirements for use come. It can contribute to the plants according to explosion-proof suitability equipment group II, Category 1 and according to EMC and Web strength according to EN 50 155, EN 55 022, IEC 801.3 / 4.

11: Optischer Drucksensoroptical pressure sensor
1.a1.a.: Sensorfolie aus cholesterischem Polymernetzwerksensor film from cholesteric polymer network
1.b1.b: Folienträgerfilm backing
1.c1.c: Sensorteil mit LWL-Aufnahme, Justiereinrichtung für LWL-Position und Verbindungselementensensor part with optical fiber mount, adjustment device for fiber optic position and connecting elements
1.d1.d: Sensorteil mit Drucköffnung und Verbindungselementensensor part with pressure opening and fasteners
1.e1.e: DruckaufnehmerPressure transducer
22: Lichtwellenleiter zum Drucksensoroptical fiber to the pressure sensor
33: Lichtwellenleiter vom Drucksensoroptical fiber from the pressure sensor
44: Hermetisch abgeschlossenes GehäuseHermetically closed housing
55: Wandlerbaustein mit Photodiode, Verstärker und Lichtquelleconverter component with photodiode, amplifier and light source
66: Mikrokontroller mit Analog/Digitalwandler und Speichermicrocontroller with analog / digital converter and memory
77: Interfacebausteininterface module
88th: Drahtgebundenes oder drahtloses Bussystemwired or wireless bus system
99: StromversorgungseinheitPower supply unit

Claims

Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und/oder an die EMV-Festigkeit, nach welchem ein optischer Drucksensor (1) mit Licht bestrahlt und das von einer Sensorfolie (1.a) des einem Druck ausgesetzten Drucksensors (1) reflektierte Licht einer Photodiode zur Auswertung zugeführt wird, wobei der optische Drucksensor (1) mit monochromatischen Licht bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Photodiode unmittelbar die Änderung der Selektivreflexionswellenlänge des reflektierten Lichtes ausgewertet wird, welche aus der, durch den auf den Drucksensor (1) jeweils wirkenden Druck verursachten Verformung der Sensorfolie (1.a) resultiert, wobei zur Bestimmung des auf die Sensorfolie (1.a) wirkenden Drucks die für die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit gegebene Kennlinie der Photodiode genutzt wird, welche einen von der Wellenlänge des reflektierten Lichts und damit von dem einwirkenden Druck abhängigen Strom liefert.Optical pressure measurement method in environments with increased requirements for explosion protection and / or EMC resistance, according to which an optical pressure sensor ( 1 ) is irradiated with light and that of a sensor film ( 1.a. ) of the pressure sensor exposed to pressure ( 1 ) reflected light is supplied to a photodiode for evaluation, wherein the optical pressure sensor ( 1 ) is irradiated with monochromatic light, characterized in that at the photodiode immediately the change of the selective reflection wavelength of the reflected light is evaluated, which from the, on the pressure sensor ( 1 ) each acting pressure caused deformation of the sensor film ( 1.a. ), whereby the determination of the on the sensor film ( 1.a. ) pressure which is used for the wavelength-dependent sensitivity characteristic of the photodiode, which provides a dependent on the wavelength of the reflected light and thus of the applied pressure current.

Anordnung zur optischen Druckmessung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus a.) einem ersten Anordnungsteil, der von einem optischen Drucksensor (1) mit einer Sensorfolie (1.a), mit einem, eine Lichtwellenleiteraufnahme- und Justiereinrichtung für die Lichtwellenleiterposition aufweisenden Sensorteil (1.c) und mit einem, eine Drucköffnung und Verbindungselemente (1d) aufweisenden Sensorteil (1.d) gebildet ist und in einer Umgebung mit erhöhten Anforderungen an den Explosionsschutz und/oder an die EMV-Festigkeit anordenbar ist, b.) einem zweiten außerhalb der vorgenannten Umgebung anordenbaren Anordnungsteil mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (4), durch welches ein Wandlerbaustein (5) mit Photodiode, Verstärker und Lichtquelle, ein Mikrokontroller (6) mit Analog/Digitalwandler und Speicher, ein Interfacebaustein (7) mit einer Verbindung zu einem drahtlosen oder drahtgebundenen Bussystem (8) sowie eine Stromversorgungseinheit (9) mit drahtgebundener Energiezufuhr oder Energiespeichern aufgenommen sind, c.) Lichtwellenleitern (2, 3), nämlich einem die Lichtquelle im Wandlerbaustein (5) des zweiten Anordnungsteils mit dem optischen Drucksensor (1) des ersten Anordnungsteils verbindenden Lichtwellenleiter (2) und einem den Drucksensor (1) des ersten Anordnungsteils mit der Photodiode im Wandlerbaustein (5) des zweiten Anordnungsteils verbindenden Lichtwellenleiter (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfolie (1.a) des optischen Lichtsensors (1) flexibel ist und aus einem Polymernetzwerk besteht, an dessen Hauptkette cholesterische Flüssigkristalle gebunden sind und dass die Sensorfolie (1.a) eine von ihrer Verformung abhängige Änderung der Selektivreflexionswellenlänge aufweist.Arrangement for optical pressure measurement for carrying out the method according to claim 1, comprising a.) A first arrangement part, which is provided by an optical pressure sensor (US Pat. 1 ) with a sensor foil ( 1.a. ), with a, a Lichtwellenleiteraufnahme- and adjusting device for the optical waveguide position having sensor part ( 1.c ) and with one, a pressure port and connecting elements ( 1d ) having sensor part ( 1.d ) and can be arranged in an environment with increased requirements for explosion protection and / or for EMC resistance, b.) a second arrangement part which can be arranged outside the aforesaid environment and has a hermetically sealed housing ( 4 ), by which a converter module ( 5 ) with photodiode, amplifier and light source, a microcontroller ( 6 ) with analog / digital converter and memory, an interface module ( 7 ) with a connection to a wireless or wired bus system ( 8th ) and a power supply unit ( 9 ) are received with wired energy supply or energy storage, c.) optical waveguides ( 2 . 3 ), namely a the light source in the converter module ( 5 ) of the second arrangement part with the optical pressure sensor ( 1 ) of the first arrangement part connecting optical waveguide ( 2 ) and a pressure sensor ( 1 ) of the first arrangement part with the photodiode in the converter module ( 5 ) of the second arrangement part connecting optical waveguide ( 3 ), characterized in that the sensor film ( 1.a. ) of the optical light sensor ( 1 ) is flexible and consists of a polymer network to whose main chain cholesteric liquid crystals are bound and that the sensor film ( 1.a. ) has a change in the selective reflection wavelength dependent on its deformation.

Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfolie (1.a) des optischen Drucksensors (1) auf einem flexiblen Folienträger (1.b) angeordnet ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the sensor film ( 1.a. ) of the optical Pressure sensor ( 1 ) on a flexible film carrier ( 1.b ) is arranged.

Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienträger (1.b) mit der Sensorfolie (1.a) beschichtet, beklebt oder hinterlegt ist.Arrangement according to claim 3, characterized in that the film carrier ( 1.b ) with the sensor film ( 1.a. ) coated, pasted or deposited.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem das Messergebnis über den Interfacebaustein (7) und über das drahtgebundene oder drahtlose Bussystem (8) zu einer übergeordneten Signalisierungs- oder Datenverarbeitungseinheit übertragenden Mikrokontroller (6) eine Firmware zur Selbstkalibrierung, nämlich für einen Nullpunktabgleich der Anordnung im drucklosen Zustand, implementiert ist.Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that in which the measurement result via the interface module ( 7 ) and via the wired or wireless bus system ( 8th ) to a higher-level signaling or data processing unit transmitting microcontroller ( 6 ) a firmware for self-calibration, namely for a zero-point adjustment of the arrangement in the unpressurized state, is implemented.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrokontroller (6) eine Firmware zur Korrektur des Hysterese- und Driftverhaltens und/oder zur Korrektur von Nichtlinearitäten der Kennlinie der Photodiode, des Verstärker und/oder der Lichtquelle implementiert ist.Arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that in the microcontroller ( 6 ) a firmware for correcting the hysteresis and drift behavior and / or for correcting nonlinearities of the characteristic of the photodiode, the amplifier and / or the light source is implemented.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrokontroller (6) eine Firmware mit Funktionen für ein Energiemanagement implementiert ist, wobei zur Realisierung eines energiereduzierten Messbetriebs der Anordnung zyklisch Lichtimpulse für die Messung erzeugt werden.Arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that in the microcontroller ( 6 ) a firmware with functions for an energy management is implemented, wherein for the realization of an energy-reduced measuring operation of the arrangement, cyclic light pulses are generated for the measurement.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der Sensorfolie (1.a) durch die Art und Zusammensetzung der cholesterischen Phasen und des Vernetzers beeinflussbar sind.Arrangement according to one of claims 2 to 7, characterized in that the properties of the sensor film ( 1.a. ) are influenced by the nature and composition of the cholesteric phases and of the crosslinker.

Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle des optischen Wandlerbausteins (5) um eine monochromatisches Licht aussendende Leuchtdiode handelt und die Sensorfolie (1.a) derart beschaffen ist, dass von ihr nur dann das eingestrahlte monochromatische Licht mit ebendieser Wellenlänge reflektiert wird, wenn der optische Drucksensor (1) einem bestimmten Druck ausgesetzt ist.Arrangement according to claim 8, characterized in that it is in the light source of the optical converter module ( 5 ) is a monochromatic light-emitting LED and the sensor film ( 1.a. ) is such that the irradiated monochromatic light of the same wavelength is reflected by it only if the optical pressure sensor ( 1 ) is exposed to a certain pressure.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anordnungsteil sowie der zweite Anordnungsteil und die sie verbindenden Lichtwellenleiter (2, 3) nichtlösbar oder steckbar miteinander verbunden sind.Arrangement according to one of claims 2 to 9, characterized in that the first arrangement part and the second arrangement part and the optical waveguide connecting them ( 2 . 3 ) are non-detachable or plugged together.

Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optischen Drucksensor (1) einen Druckaufnehmer 1.e aufweist, welcher für Befestigungszwecke an einem Messobjekt mit Gewinde oder einem Pressrohr versehen ist.Arrangement according to one of claims 2 to 10, characterized in that the optical pressure sensor ( 1 ) a pressure transducer 1.e which is provided for fastening purposes on a measuring object with a thread or a press tube.

Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienträger (1.b) durch Aufschrauben, Aufkleben, Aufklemmen, Auflöten oder Auf(punkt)schweißen mechanisch fest mit einem Messobjekt verbunden ist, so dass, vergleichbar mit einem Dehnungsmessstreifen, Verformungen des Messobjektes und damit einwirkende Kräfte ermittelt werden können.Arrangement according to one of claims 3 to 10, characterized in that the film carrier ( 1.b ) by screwing, gluing, clamping, soldering or on (point) welding mechanically firmly connected to a test object, so that, similar to a strain gauge, deformations of the measured object and thus acting forces can be determined.