DE3206720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Druckmeßdose gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Optische Druckmeßdosen können in Einrichtungen zur Messung des Drucks explosiver Gase und Flüssigkeiten verwendet werden und sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.

Aus der US-PS 41 58 310 geht ein optischer Druckübertrager mit einer einseitig reflektierenden Membran hervor, die eine druckmäßig beaufschlagbare Referenzkammer des Über­ tragers verschließt und auf ihre anderen Seite mit dem zu messenden Druck beaufschlagt ist. Innerhalb der Referenzkammer ist der Membran gegenüberliegend das Ende eines vermischten Bündels von Lichtleitfasern angeordnet, die einerseits mit einer Lichtquelle und andererseits mit einem Lichtsensor verbunden sind. Im unbelasteten Zustand trifft das Licht der Lichtquelle über die entsprechenden Lichtleitfasern auf die reflektierende in die Referenz­ kammer weisende Oberfläche der Membran und wird von dieser quasi vollständig auf die Lichtleitfasern reflektiert und gelangt über die anderen Lichtleitfasern zum Sensor. Im belasteten Zustand ist die Membran proportional zum Druck mehr oder weniger in die Referenzkammer hinein konvex gewölbt, so daß das auftreffende Licht zerstreut wird und der in die Lichtleitfaser reflektierte Anteil entsprechend abnimmt.

Neben dieser, letztlich die Intensität des reflektierten Lichtes messenden Vorrichtung ist aus der DE-OS 31 42 164 A1 eine Vorrichtung zur Messung von Druck­ unterschieden bekannt, die im wesentlichen ein Gehäuse mit einem Hohlraum aufweist, der durch eine Membran geteilt ist, so daß zwei Kammern entstehen, die mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar sind. Bei unterschiedlichem Druck in den Kammern wird die an sich flexible Membran aus ihrer Mittellage gelenkt. Für eine optische Wegmessung dieser Auslenkung weisen beide Ober­ flächen der Membran mittig verdickte, reflektierende und nicht flexible Bereiche auf, die über jeweils gegenüber­ liegende Enden von Lichtleitfasern mit Licht beaufschlagt werden. Die Enden der Lichtleiter weisen einen teilreflek­ tierenden Überzug auf, wodurch sich eine Interferometer- Anordnung dadurch ergibt, daß eine Interferenz zwischen dem von der Membran reflektierten Licht von dem von den teilreflektierenden Überzügen direkt in den Lichtleiter zurückreflektierten Licht auftritt. Das reflektierte Licht wird dann über ein Prisma zerlegt und das Interferenz­ muster elektronisch ausgewertet.

Neben dieser aufwendigen Meßvorrichtung, die über Interferenzen arbeitet, ist aus der DE-OS 28 49 186 ein optisches Meßgerät bekannt, bei dem die zu messende Größe auf eine Blende oder einen Spiegel wirkt, so daß ein in Lichtleitern über eine Reflexionsschicht geführter Licht­ strahl in seiner Intensität proportional zur Meßgröße beeinflußt wird. Die Intensitätsänderungen werden dann über Lichtsensoren und eine Elektronik ausgewertet.

Aus der DE-OS 24 50 080 ist eine weitere optische Druck­ meßdose bekannt, in die über Lichtleiter Licht einge­ koppelt und nach Reflexion an einer verspiegelten Membrane über einen weiteren Lichtleiter wieder ausgekoppelt wird. Die Membrane ist elastisch und die Menge des ausge­ koppelten Lichtes hängt von der druckabhängigen Auslenkung der Membran ab. Dieser optische Meßwertaufnehmer ist allerdings relativ unempfindlich gegenüber Druck­ änderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Druckmeßdose zu schaffen, die bei konstruktiver Einfach­ heit eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist, ohne dabei den Meßbereich zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Empfindlichkeit dieses Meßwertaufnehmers wird da­ durch erhöht, daß bei Auslenkung der Membrane das Ende des mit der elektrischen Empfangseinrichtung optisch gekoppelten Lichtleiters auf der einen Seite der Membrane eine wachsende Lichtmenge auffängt, und das Ende des entsprechenden Lichtleiters auf der anderen Seite der Membrane eine sich verringernde Lichtmenge auf­ fängt. Damit werden einer Auswerteschaltung zwei sich bei Auslenkung der Membrane entgegengesetzt verändernde Meßwerte geliefert. Die Auswerteschaltung kann daraus die sich aus kleinsten Veränderungen der Membranauslenkung ergebenden Druckänderungen berechnen. Die Druckmeßdose eignet sich auch zur Durchflußmessung, da mit der Druckmeßdose die dazu notwendigen Differenzdruckmessungen durchführbar sind.

Vorteilhaft ist es, die Lichtleiterenden eines Paares einander diagonal zum Mittelpunkt der Membrane gegenüber­ liegend anzuordnen und die Membrane im Bereich der dem mit der Lichtquelle oder der elektrischen Empfangseinrichtung optisch gekoppelten Lichtleitern zugeordneten Hälfte beidseitig reflektierend und in der anderen Hälfte mindestens teiltransparent zu machen. Damit ergibt sich eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit der Druckmeßdose.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben und die Wirkungsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine optische Druckmeßdose als Bestandteil eines optischen Durchflußmessers,

Fig. 2 eine optische Druckmeßdose mit einer nur zur Hälfte beidseitig verspiegelten Membrane.

Fig. 1 zeigt die optische Druckmeßdose 1, deren Meßraum 2 durch eine beidseitig verspiegelte Membrane 3 zweigeteilt ist. Die Öffnungen 4 und 5 der Druckmeßdose verbinden den Meßraum 2 über Kanäle 6 und 7 mit einem Leitungsrohr 9 beiderseits einer in dem Rohr 9 angebrachten Verengung 8. Die Lichtleiter 10, 11, 12 und 13 sind paarweise beider­ seits der beidseitig verspiegelten Membrane 3 angeordnet. In Ruhelage der Membrane 3 wird von den Lichtleitern 12 und 13 die gleiche Lichtmenge aufgefangen und auf die elektrischen Empfangseinrichtungen 15 und 16 abgestrahlt. Damit sind die von den Verstärkern 17 und 18 an die Auswerteschaltung 19 gelieferten Spannungen gleich groß, und die Ausgangsspannung der Differenz-bildenden Auswerteschaltung 19 ist Null.

Die Lichtleiter 10 und 11 sind mit einer beispielsweise als Leuchtdiode ausgebildeten Lichtquelle 14 optisch gekoppelt. Die elektrischen Empfangseinrichtungen 15 und 16 können beispielsweise als Fotodioden ausge­ bildet sein.

In Fig. 1 wird mit Hilfe der Druckmeßdose 1 der Durchfluß einer Flüssigkeit durch ein Leitungsrohr 9 gemessen. Zu diesem Zweck ist in dem Leitungsrohr 9 eine Blende 8 ange­ bracht. Da aus dem unterschiedlichen Druck der Flüssigkeit beiderseits der Blende 8 der Durchfluß berechnet werden kann, ist der Meßraum 2 der Druckmeßdose 1 über die Öffnun­ gen 4 und 5 und über die Kanäle 6 und 7 beiderseits der Blende 8 mit dem Leitungsrohr 9 derart verbunden, daß der beiderseits der Blende 8 herrschende Flüssigkeitsdruck über die Kanäle 6 und 7 unmittelbar auf die Membrane 3 wirken kann. Fließt in dem Leitungsrohr 9 die Flüssigkeit, in die durch den Pfeil eingezeichnete Richtung, herrscht in Pfeil­ richtung vor der Blende 8 ein höherer Druck als in Pfeil­ richtung hinter der Blende 8. Damit wirkt über Kanal 6 ein höherer Druck auf die Membrane 3 als über Kanal 7. Je weiter dadurch die Membrane 3 in Richtung 20 ausgelenkt wird, um so mehr von Lichtleiter 10 abgestrahltes und an der Membrane 3 reflektiertes Licht wird in Lichtleiter 13 einge­ koppelt und um so weniger von Lichtleiter 11 abgestrahltes und an Membrane 3 reflektiertes Licht wird in Lichtleiter 12 eingekoppelt. Da hierbei die vom Verstärker 18 an die Aus­ werteschaltung 19 gelieferte Spannung größer ist als die vom Verstärker 17 gelieferte Spannung, hat die Ausgangsgröße der Auswerteschaltung 19 bei Auslenkung der Membrane in Richtung 20 einen positiven Wert.

Die in Fig. 2 dargestellte Druckmeßdose 21 weist eine elastische Membrane 22 auf, deren obere Hälfte beidseitig verspiegelt ist, und deren untere Hälfte transparent ist. Die Lichtleiter 23 bis 26 sind einander diagonal gegen­ überliegend angeordnet, und der Schnittpunkt dieser Diagonalen liegt auf der Grenze zwischen dem verspiegelten und dem transparenten Teil der Membrane 22.

In Fig. 2 ist der Ruhezustand der Membrane 22 eingezeichnet. Licht, das über Lichtleiter 24 in die Druckmeßdose 21 einge­ koppelt wird, wird zur Hälfte von dem oberen verspiegelten Teil der Membrane reflektiert und auf das Ende des Licht­ leiters 25 projiziert, während die andere Hälfte den trans­ parenten Teil der Membrane 22 durchdringt und auf das Ende des Lichtleiters 26 gelangt. Somit wird in Lichtleiter 25 und in Lichtleiter 26 bei der eingezeichneten Ruhestellung der Membrane 22 die gleiche Menge Lichtes eingekoppelt. Wird nun die Membrane 22 in Richtung des Pfeiles 27 ausgelenkt, nimmt der den transparenten Teil der Membrane 22 durchdrin­ gende Teil des vom Lichtleiter 24 in die Druckmeßdose 21 eingekoppelte und damit die von Lichtleiter 26 aufgefangene Lichtmenge zu. Der vom verspiegelten Teil der Membrane 22 reflektierte und von Lichtleiter 25 aufgefangene Teil der vom Lichtleiter 24 kommenden Lichtmenge nimmt dagegen ab. Eine Erhöhung des bei Auslenkung der Membrane 22 in Richtung 27 in die Lichtleiter 26 eingekoppelten Lichtes ergibt sich, daß außer über Lichtleiter 24 auch über Licht­ leiter 23 Licht in die Druckmeßdose 21 eingekoppelt wird, da bei Auslenkung der Membrane 22 in Richtung 27 nicht nur das vom Lichtleiter 24 kommende und den transparenten Teil der Membrane 22 durchdringende Licht, sondern auch das vom Lichtleiter 23 kommende am verspiegelten Teil der Membrane 22 reflektierte und auf das Ende des Licht­ leiters 26 projizierte Licht zunimmt. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung der Menge des vom Lichtleiter 25 und 26 aufgefangenen Lichtes. Entsprechend ergibt sich also eine größere Empfindlichkeit der gesamten Meßanordnung. Die Meßwertverarbeitung in einer Druckmeßeinrichtung mit Druckmeßdose 21 kann deshalb auf dieselbe Weise wie bei Druckmeßdose 1 erfolgen.

Claims (2)

1. Optische Druckmeßdose mit einer zumindest teil­ weise reflektierenden Membrane, gegen die die jeweils ersten Enden eines Paares von Lichtleitern derart gerichtet sind, daß ein in das zweite Ende des einen Lichtleiters von einer Lichtquelle eingespeister, an dessen erstem Ende austretender, von der Stellung der Membrane gegenüber den ersten Enden abhängiger meßgrößen­ bestimmender Anteil eines Lichtbündels nach Reflexion an der Membrane vom ersten Ende des anderen Lichtleiters aufgefangen und über dessen zweites Ende einer foto­ elektrischen Empfangseinrichtung zugeführt ist, die eine Auswerteschaltung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (3) beidseitig zumindest teilweise reflektierend ausgebildet ist, daß je zwei Lichtleiter auf je einer Seite der Membrane (3) angeordnet sind, und daß die Lichtquelle (14) und die Auswerteschaltung (19) jeweils zwei Lichtleitern (10, 11; 12, 13 bzw. 23, 24; 25, 26) zugeordnet sind.

2. Druckmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (22) im Bereich der ersten Enden der Lichtleiter zu einer Hälfte beid­ seitig reflektierend und zur anderen Hälfte mindestens teiltransparent ist, daß das jeweilige erste Ende des zur Empfangseinrichtung (15 bis 18) führenden Lichtleiters des einen Paares und das jeweilige erste Ende des an die Lichtquelle angeschlossenen Lichtleiters des anderen Paares auf unterschiedlichen Seiten der Membran und auf einer schräg zur Membranoberfläche verlaufenden, durch den Mittelpunkt der Membran gehenden Geraden derart angeordnet sind, daß jedes erste Ende der zur Empfangseinrichtung führenden Lichtleiter sowohl von an der Membran reflek­ tiertem als auch von durch die Membran hindurchgegangenem Licht beaufschlagbar ist.