DE68919406T2 - Druck/temperatur-sensoranordnung mit kammfilter. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Meßsystem, mit:
• - Mitteln zum Bereitstellen einer optischen Beleuchtung mit einer Bandbreite von wenigstens 25 Nanometern;
• - Mitteln zum Übertragen der optischen Beleuchtung;
• - einer Meßgrößenumformereinrichtung, die auf die übertragene optische Beleuchtung anspricht, um die optische Beleuchtung als Funktion eines beobachteten physikalischen Parameters in der Amplitude zu modulieren, um eine amplitudenmodulierte optische Beleuchtung in der Form von variierenden Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums bereitzustellen, wobei die Spitzenwerte und die Nulldurchgänge in ihrer Form ungefähr sinusförmig sind, die Frequenz der Nulldurchgänge längs des Spektrums der modulierten optischen Beleuchtung variiert und eine Funktion des beobachteten physikalischen Parameters ist;
• - Mitteln zum Übertragen der modulierten optischen Beleuchtung;
• - einer Analysatorvorrichtung, die auf die übertragene, modulierte optische Beleuchtung anspricht, um ein Ausgangssignal zu liefern, das für die im wesentlichen konstante Frequenz der periodischen Nulldurchgänge kennzeichnend ist, und die Mittel zum spektralen Zerlegen der übertragenen, inodulierten optischen Beleuchtung umfaßt.
• Ein Meßsystem dieser Art ist aus dem Dokument EP-A-0 242 250 bekannt.
• Der bekannte Sensor umfaßt ein Interferometer, das doppeltbrechende Elemente verwendet, um das Licht einer nicht-kohärenten Lichtquelle in Abhängigkeit von einer zu messenden physikalischen Größe zu codieren und eine amplitudenmodulierte optische Beleuchtung in der Form von variierenden Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums zu erzeugen. Dieses Signal wird zu einem Demodulator geführt, der eine optische Fouriertransformation durchführt, um so ein Fourierspektrum zu liefern, wobei das Zentrum dieses Spektrums dem für die Modulation der optischen Beleuchtung verwendeten physikalischen Parameter entspricht. Dieses Fourierspektrum wird von einem Fotodetektor-Zeilenarray gemessen, um die exakte Position des zentralen Spitzenwertes zu bestimmen, um den entsprechenden physikalischen Parameter zu berechnen.
• In mehr allgemeinen Worten betrifft die Erfindung Meßsysteme und ist genauer auf ein Meßsystem gerichtet, das passive Elemente in seinem Meßgrößenumformer aufweist.
• Meßsysteme können bei Anwendungen eingesetzt werden, wo ein oder mehrere Parameter (z.B. Druck oder Temperatur) an einem Ort gemessen werden, der von dem Ausgabegerät entfernt ist. Meßsysteme für Druck und Temperatur werden zum Beispiel in Öl- und Gas-Bohrlöchern verwendet, um Druck- und Temperatur-Informationen zu liefern, die manchmal an dem Bohrlochkopf und/oder lochabwärts gemessen werden. Solche Meßsysteme können verwendet werden, um die Produktionsausbeute zu optimieren und Betriebsparameter zu bestimmen, die für die Abschätzung des Leistungszustandes des Bohrloches nützlich sind.
• Bekannte Druck- und/oder Temperatur-Meßsysteme, wie zum Beispiel die in Ölbohrlöchern verwendeten, umfassen typischerweise aktive Bauteile (z.B. Transistoren) in dem Meßgrößenumformer und seinen zugeordneten Komponenten. Bei Anwendungen in Ölbohrlöchern ist der Meßgrößenumformer (d.h. das Meßelement zum Messen von Druck oder Temperatur) manchmal lochabwärts angeordnet und daher einer sehr rauhen Umgebung ausgesetzt. Lochabwärts verwendete Meßgrößenumformer, die aktive Bauteile verwenden, haben wegen der rauhen Umgebung allgemein begrenzte Lebensdauern und sind darüberhinaus sehr schwer und kostspielig zu ersetzen. Im Ergebnis werden sie typischerweise nicht ausgetauscht und die Ölbohrlöcher werden ohne den Vorteil von Druck- oder Temperaturinformationen betrieben.
• Eine weitere Erwägung bei bekannten Meßsystemen, die aktive Bauteile in ihren Meßgrößenumformern verwenden und in einer rauhen Umgebung verwendet werden, betrifft die Drift. Solche Erwägungen sind insbesondere bei Anwendungen wie z.B. Ölbohrlöchern wichtig, wo nach der Installation ein Zugriff auf den Meßgrößenumformer schwierig und teuer ist.
• Eine weitere Erwägung bei bekannten Druck- oder Temperaturmeßsystemen mit aktive Bauteile verwendenden Meßgrößenumformern ist das Erfordernis, den aktiven Bauteilen Leistung zuzuführen.
• In dem Falle, in dem der Meßgrößenumformer unten lochabwärts angeordnet ist, muß die Leistung lochabwärts geliefert werden, was einen anderen möglichen Fehlerfall durch Bruch der die Leistung liefernden elektrischen Leiter oder schlechte Kontakte in dessen elektrischen Leitern darstellt.
• Die DE-A-36 23 265 offenbart ein interferometrisches Verfahren sowie eine zugeordnete Vorrichtung zum Messen einer Pfadlänge oder der Änderung einer Pfadlänge. Licht aus einer Quelle von weißem Licht wird in ein erstes Interferometer mit geringfügig versetzten Spiegeln gespeist. Ihr Versatz, d.h. der Unterschied in der Pfadlänge, wird von einem zweiten Interferometer gemessen, das die Lichtquelle in zwei identische, räumlich ausgedehnte virtuelle Lichtquellen verdoppelt, so daß ein holographisches Interferogramm erzeugt wird. Dieses Interferogramm wird mit einem optischen Empfänger, z.B. einem Array von Fotodioden abgetastet. Die speziellen Charakteristiken des holographischen Interferogrammes werden verwendet, um den Versatz der Spiegel in dem ersten Interferometer zu bestimmen.
• Die US 4,552,457 betrifft ein faseroptisches Interferometer, das dazu geeignet ist, sich sinusförmig ändernde physikalische Eigenschaften, so wie z.B. akustische Wellen und magnetische oder elektrische Felder zu messen. Das in diesem Dokument offenbarte Interferometer verwendet zwei Laserlichtquellen von geringfügig unterschiedlicher Wellenlänge, die abwechselnd an- und ausgeschaltet werden, um für maximale Empfindlichkeit zu sorgen. Dieses Merkmal ist wichtig, da das zugeordnete Interferometer die Phasenverschiebung mißt, die durch die zu messende physikalische Größe eingefügt wird, wobei diese Phasenverschiebung merklich kleiner ist als die durch Rauschen bewirkte Phasenverschiebung.
• Die EP-A-23 345 beschreibt ein optisches Meßsystem für die Messung von Parametern wie z.B. Temperatur. Dieses Gerät Verwendet eine Laserlichtquelle von veränderlicher Wellenlänge. Das in der Wellenlänge variierende Licht wird durch zwei optische Fasern geführt, die der zu messsenden Temperatur ausgesetzt sind. Dies bewirkt, daß eine Phasenverschiebung erfolgt und daß das resultierende optische Signal zwischen "dunkel" und "hell" umschaltet. Ein Zähler zählt die Ein/Aus-Zyklen, um die Temperatur zu bestimmen.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druck- oder Temperatur-Meßsystem bereitzustellen, das bei verlängerten Lebensdauern in einer rauhen Umgebung verläßlich funktioniert.
• Eine andere Aufgabe ist es, ein Druck- oder Temperatur-Meßsystem bereitzustellen, das für eine Langzeit-Genauigkeit sorgt.
• Es ist ebenfalls eine Aufgabe, ein Druck- oder Temperatur- Meßsystem bereitzustellen, das nur passive Bauteile in seinem Meßgrößenumformer verwendet, und daß zum Betrieb des Meßelementes in dem Meßgrößenumformer oder zum Weiterleiten von gemessenen Daten von dem Meßgrößenumformer keine elektrische Leistung benötigt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch ein Meßsystem der eingangs genannten Art mit den folgenden kennzeichnenden Merkmalen dadurch gelöst, daß:
• - die Mittel zum spektralen Zerlegen die übertragene, modulierte optische Beleuchtung optisch analysieren und ein spektral zerlegtes optisches Signal in der Form von variierenden Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums bereitstellen, wodurch das Signal für den spektralen Inhalt und die Amplituden der modulierten optischen Beleuchtung kennzeichnend ist; und daß
• - die Analysatorvorrichtung weiter umfaßt:
• - Mittel, die auf das spektral zerlegte optische Signal ansprechen, um die Frequenzvariation der Periodischen Nulldurchgänge auf der Basis einer elektrischen Spektralanalyse zu entfernen und ein elektrisches Signal zu liefern, das für die im wesentlichen konstante Frequenz der periodischen Nulldurchgänge längs des Spektrums der modulierten optischen Beleuchtung kennzeichnend ist;
• - Mittel zum schmalbandigen Filtern des elektrischen Signales, um ein gefiltertes Signal zu liefern; und
• - auf das gefilterte Signal ansprechende Mittel zum Liefern des Ausgangssignales.
• Die vorstehenden und andere Vorteile werden von einem Meßsystem bereitgestellt, das eine breitbandige optische Quelle zum Liefern von optischer Beleuchtung mit einer Bandbreite von wenigstens Nanometern sowie ein optisches Faserkabel zum Übertragen der optischen Beleuchtung zu einem fernen Ort umfaßt. Ein auf die übertragene optische Beleuchtung ansprechender Meßgrößenumformer moduliert die übertragene optische Beleuchtung als Funktion eines beobachteten physikalischen Parameters in der Amplitude, um eine amplitudenmodulierte optische Beleuchtung mit im wesentlichen sinusförmig variierenden Nulldurchgängen längs des Spektrums der Beleuchtung zu erzeugen, wobei die Frequenz der Nulldurchgänge längs des Spektrums der modulierten optischen Beleuchtung variiert und eine Funktion des beobachteten physikalischen Parameters ist. Das faseroptische Kabel (oder je nach der Implementierung des Meßgrößenumformers ein anderes faseroptisches Kabel) überträgt die modulierte optische Beleuchtung zu einem optischen Spektralanalysator, der ein spektral zerlegtes optisches Signal liefert, das für den spektralen Inhalt und die Amplituden der modulierten optischen Beleuchtung kennzeichnend ist. Ein getaktetes Detektorarray, das auf das spektral zerlegte optische Signal anspricht, wird mit einer veränderlichen Taktrate getaktet, um die Frequenzvariation der periodischen Nulldurchgänge längs des optischen Spektrums zu entfernen, um so ein elektrisches Signal mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz in den Nulldurchgängen zu liefern. Eine schmalbandige Filterschaltung filtert die elektrischen Signale von im wesentlichen konstanter Frequenz, um ein gefiltertes Signal zu liefern, und eine auf das gefilterte Signal ansprechende Ausgabeschaltung liefert ein Ausgangssignal, das für die im wesentlichen konstante Frequenz der periodischen Nulldurchgänge kennzeichnend ist.
• Die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung ergeben sich für einen Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Druckmeßsystemes ist, das mit einem Michelson-Interferometer ausgelegt ist;
• Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Druckmeßsystemes ist, das alternativ mit einem Mach-Zehndar-Interferometer ausgelegt ist;
• Fig. 3 die Zeitsteuersequenz eines Analysators ist, wie er in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist;
• Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles eines Signalanalysators ist;
• Fig. 5 die Zeitsteuersequenz eines in Fig. 4 gezeigten Schnellen Fourier-Analysators ist;
• Fig. 6 ein Blockdiagramm einer alternativen Implementierung des Signalanalysators als Nachlauffilter-Analysator ist; und
• Fig. 7 die Zeitsteuersequenz des in Fig. 6 gezeigten Nachlauffilter-Prozessors ist.
• In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den mehreren Figuren aus der Zeichnung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen identifiziert.
• Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort ein Druck umwandelndes System 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung gezeigt, das ein breitbandiges optisches Modul 20 zum Liefern einer Punktquellenbeleuchtung für ein faseroptisches Kabel 11 umfaßt. Im Wege eines Beispiels kann das breitbandige optische Modul 20 Beleuchtung mit infraroten (IR) Wellenlängen, Wellenlängen im nahen IR oder sichtbaren Lichtwellenlängen liefern. Das faseroptische Kabel 11 ist an einen Meßgrößenumformer 30 gekoppelt, der die von dem faseroptischen Kabel 11 gelieferte Quellenbeleuchtung in der Amplitude moduliert, indem periodische Nulldurchgänge längs des Spektrums der Beleuchtung plaziert werden. Die modulierte Beleuchtung wird über das faseroptische Kabel 11 und das faseroptische Kabel 13 einem Analysator 40 Zugeführt.
• Im Wege eines Beispieles kann bei einer Ölbohrloch-Anwendung das breitbandige optische Modul 20 an dem Bohrlochkopf, oder in dem Falle von Unterwasser-Bohrlöchern an einer Küstenstation oder an einer Unterwasser-Fließsteuervorrichtung an dem Bohrlochkopf angeordnet sein. Der Meßgrößenumsetzer 30 würde lochabwärts in dem Ölbohrloch positioniert sein, während der optische Analysator 40 zum Beispiel an der Oberfläche zu finden wäre, wie z.B. an einer Überwachungsstation oder an der Bohrloch- Kontrollstation.
• Das breitbandige optische Modul 20 umfaßt eine breitbandige optische Quelle 15, die im Wege eines Beispieles eine oder mehrere breitbandige lichtemittierende Dioden (LED's) starker Helligkeit sein könnte. Ein sammelndes und abbildendes Linsensystem 17 koppelt den Ausgang der breitbandigen optischen Quelle 15 optisch über eine optische Faser 12 und einen optischen Teiler/Kombinierer 36 mit drei Toren an das faseroptische Kabel 11. Alternativ wird der Ausgang der breitbandigen optischen Quelle (oder Quellen) direkt an die optische Faser 12 gekoppelt.
• Die breitbandige optische Quelle 15 sollte für eine Bandbreite sorgen, die den Anforderungen für den Druckbereich und die Genauigkeit des Meßgrößenumformers 30 entspricht. Im Wege eines Beispieles kann eine solche Bandbreite von 20 bis 80 Nanometern gehen, wobei die Mitte der Bandbreite zum Beispiel bei 50 Nanometern liegt; d.h. es handelt sich um eine optische IR-Quelle mit einer Bandbreite von ungefähr 2 bis 10 Prozent.
• Als eine Alternative zu einer einzigen breitbandigen optischen Quelle, wie z.B. einer LED, kann die breitbandige optische Quelle 15 eine Vielzahl von optischen Quellen, wie z.B. LED's umfassen, die kombiniert werden können, um die gesamte optische Leistung zu erhöhen und/oder entsprechende Teile des gewünschten optischen Spektrums abzudecken. Die Ausgaben solcher optischer Quellen würden z.B. mit faseroptischen Kombinierern kombiniert werden.
• Eine weitere Alternative für die Implementierung der breitbandigen optischen Quelle 15 wäre eine Laserdiode, die den gesamten erforderlichen Wellenlängenbereich überstreichen kann. Die Verwendung einer solchen, die Wellenlängen überstreichenden Quelle erfordert es entweder, daß die Quelle die interessierende Bandbreite ohne Wellenlängenlöcher abdecken kann, oder aber ihre Moden müssen in der Wellenlängendomäne merklich dichter beabstandet sein als der minimale Abstand der periodischen interferometrischen Nulldurchgänge, die von dem Interferometer in dem Meßgrößenumformer 30 erzeugt werden.
• Wie es hier noch genauer diskutiert werden wird, ist der Meßgrößenumformer 30 mit einem von mehreren Typen von Interferometern implementiert, der dazu in der Lage ist, eine Amplitudenmodulation in der Form von periodischen Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums zu erzeugen, das von der optischen Quelle 15 bereitgestellt wird, wobei die periodischen Spitzenwerte und Nulldurchgänge ungefähr von sinusförmiger Form sind. Ein derartiger Typ ist ein Michelson- Interferometer 100, wie es in Fig. 1 gezeigt ist; ein anderer ist ein Mach-Zehndar-Interferometer 101, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
• Als eine weitere alternative optische Quelle kann eine infrarote Glühquelle als die breitbandige optische Quelle 15 verwendet werden, vorausgesetzt, daß genügend Licht in das faseroptische Kabel 11 gekoppelt werden kann.
• In dem in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel umfaßt der Meßgrößenumformer 30 ein Michelson-Interferometer 100, das insbesondere erste und zweite optische Zweige 21, 23 aufweist, die jeweilige faseroptische Kanäle umfassen, die optisch über einen dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 35 so gekoppelt sind, daß sie die Beleuchtung empfangen, die von dem faseroptischen Kabel 11 bereitgestellt wird, das die Quellenbeleuchtung über den dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 36 empfängt.
• Der dreitorige optische Teiler/Kombinierer 36 läßt Licht von der breitbandigen Quelle das faseroptische Kabel 11 hinab zu dem lochabwärts befindlichen Meßgrößenumformer 30 gelangen, während er es ermöglicht, das von dem lochabwärts befindlichen Meßgrößenumformer 30 zurückkehrendes Licht in einen anderen faseroptischen Kanal 13 extrahiert wird. Solch ein optischer Teiler/Kombinierer ist in der Technik bekannt und sorgt für eine vernachlässigbare interne Kreuzkopplung zwischen seiner Eingabe von der LED-Quelle und der optischen Ausgangsfaser, die das von dem Interferometer zurückkehrende Licht extrahiert.
• Der dreitorige optische Teiler/Kombinierer 35 funktioniert ähnlich wie der optische Teiler/Kombinierer 36.
• Der erste optische Zweig 21 des Interferometers ist ein Referenz- Zweig, der sich mit der Änderung des gemessenen Druckes in der Länge nicht merklich ändert, während der zweite optische Zweig 23 ein Sensorzweig ist, der sich in der Länge mit der Änderung des gemessenen Druckes ändert. Die Enden der optischen Fasern, die die ersten und zweiten optischen Zweige 21, 23 umfassen, sind hoch reflektiv ausgelegt (wie es durch das Bezugszeichen 102 angedeutet ist), so daß das Licht in jedem Zweig des Interferometers längs des Zweiges zurückgeführt und in dem dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 35 kombiniert wird, so daß das nun kombinierte reflektierte Licht über das faseroptische Kabel 11 zurückkehrt. Die kombinierte Ausgangsbeleuchtung von dem Michelson-Interferometer 100 wird dem Analysator 40 über den dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 36 zugeführt, nachdem es durch die Wirkung des Interferometers in der Amplitude längs seines Spektrums moduliert wurde.
• Als eine Alternative zu dem in Fig. 1 gezeigten Michelson-Interferometer kann ein Mach-Zehndar-Interferometer 101 verwendet werden, das in Fig. 2 gezeigt ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel wird die durch die beiden Zweige 37, 38 des Interferometers transportierte Beleuchtung in einem dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 39 kombiniert, um über ein faseroptisches Rückkehrkabel 14 zu dem Analysator 40 übertragen zu werden.
• Unter erneuter Bezugnahme auf die Implementierung mit dem Michelson-Interferometer aus Fig. 1 können die ersten und zweiten optischen Zweige 21, 23 zum Beispiel jeweilige Monomodenfasern umfassen. Die optische Faser des Referenzzweiges 21 ist zu einer Spule gewunden oder in dem Meßgrößenumsetzer 30 anderweitig ausgelegt, so daß ihre Länge sich nicht merklich mit dem Druck ändert. Die optische Faser des Meßzweiges 23 ist zum Beispiel auf einem dehnbaren Zylinder aufgewickelt und auf eine solche Weise konfiguriert, daß der Durchmesser des Zylinders um einen kleinen Betrag in Proportion zu dem Druck zunimmt, wodurch die Länge des Sensorzweiges 23 vergrößert wird. Eine Alternative zu dem Aufwickeln der als Referenz und/oder zum Messen dienenden optischen Faser auf einen Zylinder besteht darin, das Interferometer so zu konfigurieren, daß die messende optische Faser in Übereinstimmung mit dem Druck linear gestreckt wird, so wie bei einer Faltenbalgstruktur, dessen Länge mit dem Druck variiert. Die optische Faser des den Druck messenden Zweiges 23 kann zum Beispiel länger ausgelegt werden als die optische Faser des Referenzzweiges 21, wodurch die Länge des messenden Zweiges 23 bezogen auf den Referenzzweig 21 noch mehr zunimmt, wenn der Druck erhöht wird. Im Wege eines genaueren Beispieles kann die differentielle Länge bei dem minimalen atmosphärischen Druck, der auftreten kann, 0,254 mm (0,01 inch) betragen, wenn sie nicht einem Druck lochabwärts des Bohrloches ausgesetzt ist. Unter maximalem Druck kann die differentielle Länge auf 2,794 mm (0,11 inch) zunehmen.
• Abgesehen von der geringfügig größeren Länge in dem messenden Zweig 23 haben die optischen Zweige 21, 23 relativ lange gleiche Längen. Die relativ lange Länge in dem messenden Zweig 23 sorgt für ein leicht zu messendes Maß an Elongation als Funktion des Druckes, ohne daß eine permanente Deformation oder ein Bruch der Faser auftritt. Der messende Zweig 23 ist mit einer ungefähr gleichen aber geringfügig größeren Länge als der Referenzzweig ausgelegt, so daß die beiden Zweige bei keinem Druck innerhalb des zu messenden Bereiches gleich werden. Bei maximalem Druck (maximaler differentieller Länge zwischen den Interferometerzweigen) dürfen jedoch die periodischen Nulldurchgänge längs des Spektrums nicht zu dicht beabstandet sein, um noch in dem Analysator 40 aufgelöst zu werden. Gleichzeitig muß die Anzahl von Nulldurchgängen bei maximalem Druck hinreichend groß sein, so daß die Änderung in der Beabstandung der Nulldurchgänge mit hinreichender Genauigkeit diskriminiert werden kann, um für die geforderte Druckgenauigkeit zu sorgen.
• Als ein Beispiel für die Längen der beiden optischen Zweige 21, 23 des in Fig. 1 gezeigten Michelson-Interferometers 100 kann der Referenzzweig eine Länge von 2540 mm (100 inch) aufweisen, während bei üblichem atmosphärischen Druck der Meßzweig eine Länge von 0,254 mm (0,01 inch) länger (d.h. 2540,254mm/100,01 inch) haben kann. Bei maximalem zu messendem Druck kann der messende Zweig 23 in der Länge um zusätzliche 2,54 mm (0,01 inch) (auf 2542,794 mm/100,11 inch) zunehmen. Folglich können 0,254 mm (0,01 inch) an differentieller Länge dem üblichen atmosphärischen Druck entsprechen, während 2,794 mm (0,11 inch) an differentieller Länge einem Druck von 351,533 kp/cm² (5000 pound) entsprechen können. Da die Beleuchtung längs beider Zweige 21, 23 des Michelson-Interferometers 100 zurückreflektiert wird, wird die effektive Änderung in der differentiellen Länge zwischen den beiden Zweigen sowie die effektive Änderung in der differentiellen Länge mit dem Druck verdoppelt.
• Das Michelson-Interferometer 100 aus Fig. 1 kann alternativ mit optischen Pfaden in Luft anstatt mit optischen Pfaden in optischen Fasern implementiert werden. Bei einer derartigen Implementierung würde der zu beobachtende optische Parameter (z.B. Druck) einen optischen Pfad in Luft beeinflussen, anstatt eine optische Faser zu längen. Solch eine alternative Implementierung kann einen optischen Teiler umfassen, um die von dem faseroptischen Kabel 11 bereitgestellte optische Beleuchtung in zwei optische Kanäle aufzuteilen. Ein Kanal würde den Referenzkanal umfassen, der einen im wesentlichen konstanten optischen Pfad aufweist. Der andere Kanal würde den messenden Kanal aufweisen und könnte ein erstes Linsensystem zum Kollimieren der von einem solchen Kanal empfangenen optischen Beleuchtung sowie einen beweglichen Spiegel aufweisen, um die kollimierte optische Beleuchtung zu reflektieren. Der Referenzkanal des Interferometers kann eine optische Faser mit einem stark reflektierenden Ende und mit einer Länge umfasssen, um einen optischen Pfad bereitzustellen, der geringfügig kürzer ist als der optische Pfad des messenden Zweiges. Der bewegliche Spiegel in dem messenden Zweig des Interferometers ist dazu angepaßt, seinen Abstand von der Quelle der Beleuchtung für den messenden Kanal als eine Funktion des überwachten physikalischen Parameters zu verändern. Das von dem Interferometer zurückgekehrte kombinierte Licht wird dann dem Analysator 40 über das faseroptische Kabel 11 und den dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 35 zugeführt.
• Um das spätere Verständnis zu erleichtern, sollte darauf hingewiesen werden, daß die differentielle Länge zwischen dem Referenzzweig 21 und dem messenden Zweig 23 des in Fig. 1 gezeigten Michelson-Interferometers 100 periodische, im allgemeinen sinusförmig variierende interferometrische Nulldurchgänge längs des Spektrums der kombinierten Beleuchtung erzeugt, die von dem faseroptischen Kabel 11 zu dem Analysator 40 übertragen wird. Gleichfalls erzeugt die differentielle Länge zwischen den Zweigen 37, 38 in dem in Fig. 2 gezeigten Mach-Zehndar- Interferometer 101 allgemein sinusförmige, variierende periodische Nulldurchgänge längs des Spektrums der kombinierten Beleuchtung, die von dem faseroptischen Kabel 14 zu dem Analysator 40 übertragen wird.
• Die Beabstandung der durch die Wirkung des Interferometers erzeugten periodischen Nulldurchgänge längs des Spektrums ist durch die differentielle Länge zwischen den beiden Zweigen des Interferometers und die Wellenlänge bestimmt und somit ein direktes Maß für den Druck. Wie es in den folgenden Paragraphen noch diskutiert werden wird, ist der Abstand von Zyklus zu Zyklus bei diesen interferometrischen Nulldurchgängen längs des Spektrums, wenn es auf eine Fotodiodenarray (Fotodioden-Zeilenarray) 31 abgebildet wird, nicht gleichmäßig; er variiert stattdessen invers mit der Wellenlänge längs des breitbandigen Spektrums, das von der breitbandigen optischen Quelle 20 geliefert wird. Diese die Frequenz variierende Komponente muß durch die serielle Auslesung der Fotodiode entfernt werden, bevor die Daten schmalbandig gefiltert werden, um das Signal- Rausch-Verhältnis zu verbessern und die Frequenz der periodischen Nulldurchgänge genauer zu bestimmen. Sobald diese die Frequenz variierende, zwitscherartige Komponente entfernt worden ist, wirkt der Analysator 40 so, daß er die Frequenz des Bursts konstanter Frequenz bestimmt und dadurch ein direktes Maß für den Druck bereitstellt, der von dem messenden Zweig des Interferometers (Zweig 23 des Michelson-Interferometers 100 in Fig. 1 und Zweig 38 des Mach-Zehndar-Interferometers 101 in Fig. 2) gemessen wurde.
• Genauer gesagt führt der Analysator 40 (Fig. 1 und 2) drei Gesamtfunktionen durch:
• a) er führt eine optische spektrale Analyse des optischen Ausganges des Interferometers durch und bildet das resultierende Spektrum auf ein Fotodioden-Zeilenarray ab;
• b) er konvertiert die optische Spektralanalyse in ein elektrisches Signal, indem das Fotodioden-Array mit einer in der Frequenz variierenden Auslese-Taktrate (die Wirkung der in der Frequenz variierenden Taktrate besteht darin, eine serielle Ausgabe des Fotodioden-Arrays zu liefern, die im wesentlichen ein Burst konstanter Frequenz ist) seriell ausgelesen wird; und
• c) er führt eine schmalbandige Filterung und Frequenzbestimmung der seriellen Auslesung des Fotodioden-Arrays 31 durch.
• Die schmalbandige Filterung bewirkt eine merkliche Verbesserung in dem Signal-Rausch-Verhältnis. Auf der Basis der elektrischen Spektralanalyse der Auslesedaten wird eine Ausgabe bereitgestellt, die ein direktes Maß der Frequenz des Auslesebursts ist, d.h. ein direktes Maß des gemessenen Druckes.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Analysators 40 erfolgt die Frequenzbestimmung des von dem optischen Detektorarray ausgelesenen elektrischen Signales durch Spektralanalysen in einem Prozessor für Schnelle Fouriertransformation, der in der Wirkung eine Bank von dicht und aneinandergrenzend beabstandeten Filtern liefert, deren Ausgaben an dem Ende eines jeden essentiellen Auslesebursts konstanter Frequenz aus dem optischen Detektorarray abgetastet werden, das ein Fotodioden- Zeilenarray oder ein Zeilenarray mit ladungsträgergekoppelten Elementen (CCD) sein kann. Eine Interpolation zwischen den relativen Größen der Filterausgaben kann durchgeführt werden, um die Auflösung des Systemes über die zu verbessern, die direkt durch die Anzahl von Filterkanälen bereitgestellt wird.
• Der Analysator 40 umfaßt eine Sammellinse 25, die die von dem Meßgrößenumformer 30 bereitgestellte Beleuchtung kollimiert. Genauer gesagt wird in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 mit Michelson-Interferometer eine derartige Beleuchtung dem Analysator 40 über die optische Faser 13 bereitgestellt, die an den dreitorigen optischen Teiler/Kombinierer 36 gekoppelt ist, während in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 mit Mach-Zehndar- Interferometer eine derartige Beleuchtung dem Analysator 40 durch das faseroptische Kabel 14 zugeführt wird.
• Die von der Sammellinse 25 bereitgestellte kollimierte Beleuchtung beleuchtet ein Beugungsgitter 27, das in seiner einfachsten Form gleichmäßig beabstandete Linien mit z.B. 1200 Linien pro Millimeter umfaßt. Die gebeugte, spektral zerlegte Beleuchtung, die von dem Beugungsgitter 27 ausgegeben wird, wird über ein Linsensystem 29 auf ein Detektor-Zeilenarray 31 fokussiert, das im Wege eines Beispieles ein Fotodioden-Zeilenarray oder ein CCD-Zeilenarray sein kann.
• Die zwischen den beiden Zweigen des Interferometers bewirkte differentielle Länge erzeugt periodische Spitzenwerte und Nulldurchgänge längs des Spektrums der breitbandigen optischen Quelle, wobei diese Nulldurchgänge längs des Fotodioden-Arrays 31 mittels der Wirkung des Beugungsgitters 27 im Sinne einer Spektralanalyse abgebildet werden. Diese periodischen Nulldurchgänge sind jedoch nicht längs des Spektrums der breitbandigen Quelle exakt gleichmäßig beabstandet. Im Ergebnis würden die Daten, wenn sie seriell von dem Fotodioden-Array ausgelesen werden, eine zwitscherartige (in der Zeit variierende) Frequenzkomponente enthalten. Die zwitscherartige Komponente muß entfernt werden, bevor die schmalbandige Filterung erfolgt.
• Die Existenz der nicht-linearen Beabstandung der Nulldurchgänge längs des Spektrums der breitbandigen optischen Quelle 20 kann durch den folgenden Ausdruck für die relative Phase Fe zwischen den beiden Zweigen des Interferometers gezeigt werden, wobei Delta die differentielle Länge zwischen den beiden Zweigen des Interferometers und Lambda die optische Wellenlänge ist. Es sollte bemerkt werden, daß in dem Falle des Michelson-Interferometers 100 (Fig. 1) Delta die zweiwegige differentielle Länge ist, da die Beleuchtung längs der beiden Zweige des Interferometers zurückreflektiert wird. Diese relative Phase (d.h. der optische Phasenwinkel Fe zwischen den Lichtvektoren in den beiden Zweigen des Interferometers) ist durch die unten angegebene Beziehung ausgedrückt:
• Fe = 2 Pi Delta/Lambda
• Aus dem obigen Ausdruck wird klar, daß die relative Phase Fe nicht in direkter Beziehung zu der optischen Wellenlänge Lambda variiert. Da die Winkelstreuung des optischen Spektrums, wie es auf das Fotodioden-Array abgebildet wird, relativ klein ist (weniger als 6 Grad in einem typischen System), ist die aus der Wirkung des Beugungsgitters resultierende Ablenkung längs des Fotodioden-Arrays 31 ungefähr proportional zu der Wellenlänge Lambda. Wie in dem obigen Ausdruck gezeigt, variiert die Phase des inteferometrischen Nulldurchganges Fe mit 1/Lambda. Folglich variiert die Phase der interferometrischen Nulldurchgänge ungefähr wie der Kehrwert des Ablenkungsabstandes längs des Fotodioden-Arrays.
• Es kann gezeigt werden, daß diese hyperbolische Beabstandung der Nulldurchgänge ungefähr der Änderung in der Periode einer Wellenform mit einer linearen (zwitscherartigen) Frequenzkomponente entspricht. Diese variierende Frequenzkomponente kann von den seriellen Daten entfernt werden, die elektrisch von dem Fotodioden-Array ausgegeben werden, indem die Auslesetaktrate mit einer entsprechenden linear variierenden Rate variiert wird. Qualitativ bedeutet dies, daß die Taktrate langsamer gemacht wird, wenn die interferometrischen Nulldurchgänge ausgelesen werden, die dicht zusammen sind, wobei entsprechend die Taktrate schneller gemacht wird, wenn die interferometrischen Nulldurchgänge ausgelesen werden, die weiter beabstandet sind. Das Endergebnis einer solchen nicht-linearen Taktung der Auslesung des Fotodioden-Arrays besteht darin, daß die Daten, wie sie von dem Fotodioden-Array ausgelesen werden, im wesentlichen ein Burst konstanter Frequenz sind; d.h. sie sind im wesentlichen entzwitschert. Die Frequenz dieses Bursts ist proportional zu der differentiellen Länge des Interferometers, d.h., die Frequenz des Bursts (wie er mit einer linear variierenden Taktfrequenz ausgelesen wird) ist im wesentlichen proportional zu dem Druck.
• Nach dem Entfernen der in der Frequenz variierenden (zwitscherartigen) Charakteristik von den Daten, die von dem Fotodioden- Array 31 ausgelesen werden, werden die entzwitscherten Ausgabedaten elektronisch in einem Signalanalysator 34 verarbeitet.
• Wie es noch im einzelnen weiter hier diskutiert werden wird, umfaßt eine solche Signalanalyse ein schmalbandiges Filtern der entzwitscherten ausgelesenen Daten, gefolgt von einer weiteren elektrischen Verarbeitung, um die Frequenz der interferometrischen Nulldurchgänge zu bestimmen, die durch die differentielle Länge in den Interferometerzweigen erzeugt wurde.
• Die Zeitsteuerfunktionen für den Analysator 40 werden von einer in den Fig. 1 und 2 identifizierten Zeitsteuereinheit 33 bereitgestellt. Die Zeitsteuereinheit 33 liefert ein Taktsignal für das Auslesen des Fotodioden-Zeilenarrays 31. Ein derartiges Taktsignal hat eine linear modulierte (FM'te) Taktrate (d.h. eine Taktrate mit einer linear variierenden Frequenz), um die entzwitschernde Funktion zu erreichen, die oben unter Bezugnahme auf das Auslesen des Fotodioden-Zeilenarrays 31 diskutiert wurde. Wie es weiter unten noch genauer diskutiert werden wird, wirkt die Zeitsteuereinheit 33 weiter so, daß sie Zeitfunktionen in dem Signalanalysator 34 ausführt.
• Die gesamte Zeitsteuersequenz für den Analysator 40 ist in Fig. 3 gezeigt und umfaßt ein Fotodioden-Ausleseintervall 103 gefolgt von einem Verarbeitungsintervall 104. Fig. 3 zeigt schematisch die FM'ten Auslese-Taktimpulse 105, die oben unter Bezugnahme auf das Entzwitschern diskutiert wurden. Genauere Aspekte der Zeitsteuersequenz hängen von der Implementierung des Signalanalysators 34 ab, der nun genauer diskutiert werden wird.
• Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 3 ist dort ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles des Signalanalysators 34 gezeigt. Der Signalanalysator umfaßt einen Analog-Digital-Wandler 39, eine Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation sowie einen Filterspitzenwert-Wähler 41, die zusammen die Funktionen des Schmalbandigmachens des Signales und der Frequenzbestimmung durchführen.
• Genauer gesagt werden die von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesenen entzwitscherten Daten einem Analog-Digital-Wandler 39 (Eingabe 107 von der Ausgabe des Fotodioden-Arrays) zugeführt, der digitalisierte Daten an eine Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation liefert. Die die Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation ausmachenden Filter überlappen einander teilweise in der Frequenzdomäne (z.B. an den -3dB- Punkten) und überdecken das Frequenzintervall, das den Druckextremwerten entspricht, die angetroffen werden können. In Abhängigkeit von dem Druck wird der entzwitscherte Burst (im wesentlichen konstante Frequenz), wie er von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesen wird, in den Filterbereich eines (oder möglicherweise zweier) der Filter fallen, die die Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation ausmachen.
• Die Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation sorgt für zwei wichtige Funktionen, nämlich für das schmalbandige Filtern der Daten und für das Bereitstellen einer Ausgabe, die für die Frequenz des entzwitscherten Daten-Bursts kennzeichnend ist, wie er von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesen wurde. Diese Frequenz nach dem Entzwitschern ist proportional zu dem gemessenen Druck.
• Da mittels der nicht-linearen Auslesetaktung die Ausgabe aus dem Fotodioden-Zeilenarray 31 im wesentlichen ein Burst konstanter Frequenz ist, hat der sich ergebende serielle Daten-Burst, wie er von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesen wurde, eine spektrale Breite, die durch den Kehrwert der Dauer des Daten- Burst bestimmt ist, und eine Frequenz, die durch den gemessenen Druck bestimmt ist.
• Das schmalbandige Filtern sorgt verglichen mit anderen Techniken zum Bestimmen der Frequenz des Daten-Bursts, wie z.B. beim Zykluszählen, für ein stark verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis. Die Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation bewirkt dieses schmalbandige Filtern in einer Bank von schmalbandigen Filtern. In Abhängigkeit von der Frequenz des Daten- Bursts wird das Signal in einem der Filter oder möglicherweise in zweien der Filter integriert, wenn die Frequenz des Daten- Bursts zwischen die Spitzenfrequenzantworten von zwei spektral benachbarten Filtern fällt. Die breitbandigen Rauschkomponenten, die ansonsten mit dem gewünschten Signal konkurrieren würden, werden jedoch auf nur noch die Rauschfrequenzkomponenten reduziert, die in das Durchlaßband des einen oder der beiden Filter fallen, das die entzwitscherten Daten enthält, wie sie von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesen werden.
• Wenn der gemessene Druck so ist, daß das entzwitscherte, ausgelesene Signal zum Beispiel auf die Frequenz der Spitzenantwort eines der schmalbandigen Filter der Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation fällt, dann konkurriert das Daten- Burst-Signal in dem Filter nur mit dem Rauschen, das in das Durchlaßband eines derartigen Filters fällt.
• Ein Beispiel für einen der Beiträge zu dem breitbandigen elektrischen Rauschen, der durch den schmalbandigen Filterprozeß merklich reduziert wird, ist das von dem Dunkelstrom in dem Fotodioden-Zeilenarray 31 erzeugte Weise Rauschen. Ein weiteres Beispiel von breitbandigem Rauschen, das merklich reduziert wird, ist das Rauschen, das in dem Verstärker (nicht genauer gezeigt) erzeugt wird, der normalerweise auf das Fotodioden- Zeilenarray 31 folgend verwendet werden würde. Ein noch weiteres Beispiel für einen Beitrag von breitbandigem elektrischen Rauschen ist das nicht-periodische räumliche Rauschen (Muster) in dem Fotodioden-Zeilenarray 31. Ein derartiges Rauschen kann sich aus der zufälligen, nicht-gleichmäßigen Fotoempfindlichkeit von Diode zu Diode zwischen den Fotodioden des Arrays 31 ergeben.
• Die primäre Ausgabe (d.h. die Filterausgabe mit der größen Amplitude) der Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation liefert ein Kennzeichen für den Frequenzort der entzwitscherten Daten innerhalb des spektralen Bedeckungsbereiches der Filterbank 106. Unter der Annahme, daß das schmalbandige Filtern zu einem hinreichend großen Signal-Rausch-Verhältnis führt, können die Ausgaben der Filterbank 106 jedoch interpoliert werden, um eine Bestimmung der Frequenz zu liefern, die feiner ist als die Frequenzabstände der Filter in der Filterbank 106.
• Der Prozeß der Bestimmung des Filters, das die Spitzenantwort auf die Auslesedaten des Zeilenarrays enthält, wird durch den Filterspitzenwert-Wähler 41 durchgeführt. Techniken zur Spitzenwertauswahl sind in der Technik gut bekannt und die vorliegende Erfindung erwägt eine Kommutation durch die Ausgaben der Filterbank 106 an dem Ende eines jeden Datenverarbeitungszyklus, um das Filter zu identifizieren, das die Ausgabe mit der größten Amplitude liefert.
• Der Filterspitzenwert-Wähler 41 kann ebenfalls dazu angepaßt werden, eine interpolierte Ausgabe zu liefern, die angibt, wo der ausgelesene, entzwitscherte Daten-Burst, bezogen auf die Antwortspitzen von zwei spektral benachbarten Filtern in der Frequenz liegt.
• Nachdem der jeweilige Prozeß für Filterspitzenwertwahl/-Identifizierung vollendet ist, werden die Daten in dem Prozessor 106 für Schnelle Fouriertransformation "beiseite gelegt", um für den Empfang der nächsten, zu verarbeitenden ausgelesenen Daten vorbereitet zu sein. Das Bezugszeichen 108 zeigt eine Eingabe von der Zeitsteuereinheit zu dem Analog-Digital-Wandler 39 und der Filterbank 106 für Schnelle Fouriertransformation. Der Ausgang des Filterspitzenwertwählers 41 ist mit 109 bezeichnet.
• Die detaillierte Zeitsteuersequenz für die Implementierung des Transformationsanalysators mit Schneller Fouriertransformation ist in Fig. 5 gezeigt. Wie gezeigt, erfolgt die Analog-Digital- Wandlung während des Ausleseintervalls 110, wobei ein derartiges Ausleseintervall in größerem Detail in Fig. 3 mit FM'ten Auslesetaktimpulsen gezeigt ist. Nach der Datenverarbeitung im Sinne einer Analog-Digital-Wandlung wird die Filterung der Schnellen Fouriertransformation (Verarbeitung 111 der Schnellen Fouriertransformation) durchgeführt. Auf diesen Schritt in der Verarbeitung folgend wird durch den Filterspitzenwert-Wähler 41 (wie es durch das Bezugszeichen 112 angedeutet ist) der Prozeß der Filterspitzenwertwahl durchgeführt und ein für die Frequenz des Daten-Burst kennzeichnendes Ausgangssignal wird ausgegeben. Ein derartiges Ausgangssignal ist für den gemessenen Druck kennzeichnend. Schließlich wird das Verarbeitungsintervall 113 durch das Ablegen aller Daten (Bezugszeichen 114) zur Vorbereitung auf den nächsten Verarbeitungszyklus abgeschlossen.
• Ein quantitatives Beispiel für den Betrieb des mit einem Michelson-Interferometer 110 (Fig. 1) implementierten Druckmeßsystemes mag beim Erkennen seiner Vorteile hilfreich sein. Das vorstehend diskutierte Beispiel einer Interferometer- Differenzlänge von 0,254 mm (0,01 inch) bei atmosphärischem Druck und einer Differenzlänge von 2,794 mm (0,11 inch) bei 351,533 kp/cm² (5000 psi) ist dazu geeignet. Da die Beleuchtung längs beider Zweige eines Michelson-Interferometers zurückreflektiert wird, betragen die effektiven differentiellen Längen 0,508 mm (0,02 inch) bzw. 5,588 mm (0,22 inch). Für eine optische spektrale Breite der breitbandigen optischen Quelle 20 von 50 Nanometern um 850 Nanometern herum zentriert (wissend, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in der Faser ungefähr 0,7 von der in Vakuum entspricht) umfaßt eine Zweiweg-Differenzlänge von 0,508 mm (0,02 inch) zwischen den Zweigen des Interferometers 870,7 Zyklen bei 825 Nanometern und 820,9 Zyklen bei 875 Nanometern. Wenn das 50 Nanometer Spektrum analysiert wird, würden längs des 50 nm Spektrums (870,7 - 820,9 Zyklen) = 49,8 Nulldurchgänge auftreten. Wenn der Druck auf 351,533 kp/cm² (5000 psi) erhöht würde, würde die Zweiweg-Differenzlänge von 5,588 mm (0,22 inch) 9577,5 Zyklen bei 825 Nanometern und 9030,2 Zyklen bei 875 Nanometern umfassen. Eine Analyse des 50 nm Spektrums würde 547,3 Nulldurchgänge liefern.
• Falls diese 547,3 interferometrischen Nulldurchgänge, die 351,533 kp/cm² (5000 psi) entsprechen, in 0,1 Sekunden ausgelesen werden, würde der von dem Fotodioden-Array ausgegebene Daten-Burst eine nominale Frequenz von 5473 Hz aufweisen. Wenn sich der Meßgrößenumformer bei atmosphärischem Druck befinden würde, dann hätten die 49,8 Nulldurchgänge längs des Spektrums eine nominale Frequenz von 498 Hz. Wie es bereits früher erwähnt wurde, sind diese Nulldurchgänge jedoch nicht gleichmäßig beabstandet sondern haben stattdessen eine zwitscherartige Beabstandung, die durch ein nicht-lineares Takten der Auslesung des Fotodioden-Arrays entfernt werden kann.
• Nach dem Entzwitschern hat der sich ergebende Daten-Burst, wie er aus dem Fotodioden-Array ausgelesen wurde, eine Bandbreite, die ungefähr gleich dem Kehrwert der Auslesezeit ist. Bei einem Ausleseintervall von 0,1 Sekunden ist folglich die Bandbreite des Daten-Burst ungefähr 10 Hz. Wenn also ein Druck von 351,533 kp/cm² (5000 psi) gemessen wird, dann kann die nominelle Auslesefrequenz von 5473 Hz auf ungefähr 10 Hertz in den 5473 Hertz aufgelöst werden, d.h. auf 0,18 %. Wenn jedoch das Signal- Rausch-Verhältnis der Auslesung hoch ist, können die Daten für feinere Genauigkeit interpoliert werden.
• Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 6 ist dort ein Blockdiagramm einer alternativen Analysatorimplementierung des Signalanalysators 34 (Fig. 1 und 2) mit Nachlauffilter gezeigt. Diese alternative Implementierung verwendet Nachlauffilter, um die Funktionen des schmalbandigen Filterns und der Frequenzbestimmung durchzuführen. Die Auslesung von dem Fotodioden- Zeilenarray 31 (durch die Bezugszeichen 115 und 116 angedeutet) wird parallel zu zwei Filtern 45, 46 mit geschaltetem Kondensator geführt. Filter mit geschaltetem Kondensator sind in der Technik bekannt und kommerziell in Form integrierter Schaltungen verfügbar. In einer Konfiguration mit schmalbandiger Filterung liefert ein Filter mit geschaltetem Kondensator eine schmalbandige Frequenzantwort ähnlich der eines parallel-abgestimmten Filters mit Spule/Kondensator. Die Antwortfrequenz eines Filters mit geschaltetem Kondensator wird präzise durch eine Taktfrequenz bestimmt, die an seinen Takteingang angelegt wird, wobei die Taktfrequenz die Mittenfrequenz der Filterantwort bestimmt. In Abhängigkeit von der Wahl der Anschlußverdrahtung der integrierten Schaltung des Filters mit geschaltetem Kondensator kann die Taktfrequenz ein Vielfaches, von ungefähr 25 bis 75 mal der Spitzenfrequenzantwort des Filters sein. Auf diese Weise liefert die Variation der Taktfrequenz einen Mechanismus, um die Antwort des Filters mit geschaltetem Kondensator über einen großen Frequenzbereich abzustimmen.
• Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der Ausgang eines Taktgenerators in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators 42 parallel zwei Einseitenbandmodulatoren 43, 44 zugeführt. Der Ausgang eines Frequenzversatzoszillators 47 wird ebenfalls parallel zu den Einseitenbandmodulatoren 43, 44 geführt. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 42 wird über eine Rückkoppelschleife gesteuert, wie es noch weiter beschrieben werden wird. Die Ausgänge der Einseitenbandmodulatoren 43, 44 sind jeweils mit den Takteingängen der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator gekoppelt.
• Die Funktion des Frequenzversatzoszillators 47 im Zusammenhang mit den Einseitenbandmodulatoren 43, 44 besteht darin, jeweilige Signale bereitzustellen, die geringfügig in der Frequenz zu dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 42 versetzt sind. Der durch den Einseitenbandmodulator 44 bereitgestellte Frequenzversatz ist positiv (+OFFSET, siehe Bezugszeichen 117), während der Frequenzversatz des Einseitenbandmodulators 43 negativ ist (-OFFSET, siehe Bezugszeichen 118). Auf diese Weise werden die Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator auf geringfügig unterschiedliche Frequenzen abgestimmt, wobei ihre Antwortspitzen um ein Maß von ungefähr -3dB ihrer Bandbreiten versetzt ist.
• Die beispielhaften praktischen Werte, die hier jetzt weiter für die Antworten der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator und die entsprechenden Frequenzen des spannungsgesteuerten und des Offset-Oszillators diskutiert werden, basiern auf den folgenden Überlegungen. Zum Beispiel, wenn der Meßgrößenumformer 30 (Fig. 1 und 2) einen Druck von 351,533 kp/cm² (5000 psi) überwacht, dann kann es 547,3 Zyklen längs des 50 Nanometer Spektrums geben, das von der breitbandigen optischen Quelle 20 bereitgestellt wird. Wenn diese 547,3 breitbandigen, optischen interferometrischen Nulldurchgänge in 0,1 Sekunden ausgelesen werden, dann liegt der entzwitscherte Daten-Burst, der den Filtern 45, 46 mit geschaltetem Kondensator zugeführt wird, bei 5473 Hz. Wenn der gemessene Druck jedoch zum Beispiel 3,515 kp/cm² (50 psi) beträgt, wäre die Zweiweg-Differenzlänge 0,5588 mm (0,022 inch) und die entsprechende, entzwitscherte Auslesung hätte eine Frequenz von ungefähr 547 Hz.
• Unter der Annahme, daß die Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator so konfiguriert sind, daß ihre Frequenzantwortspitze bei 1/50 der Taktfrequenz liegt, dann wäre die entsprechende Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 42, damit sie einem Druck von 351,533 kp/cm² (5000 psi) entspricht (einer nominalen Auslesefrequenz von 5473 Hz), ungefähr 50 mal 5473, was gleich 273650 Hz ist. Um einem Druck von 3,515 kp/cm² (50 psi) zu entsprechen (einer Auslesefrequenzvon 547 Hz), würde die erforderliche Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 42 gleich 27350 Hz sein.
• Um die Spitzenfrequenzantworten der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator symmetrisch um zum Beispiel +5 Hz um die entzwitscherte Ausgabe des Fotodioden-Zeilenarrays zu versetzen, würde der Versatzoszillator 47 die Frequenz des Spannungsgesteuerten Oszillators 42 um ungefähr 50 x ±5 Hz, d.h. ±250 Hz in den Einseitenbandmodulatoren 43, 44 versetzen. Dieser Versatz von ±250 Hz in den Taktwerten der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator führt dazu, daß ihre Spitzenfrequenzantworten um ±5 Hz um die Frequenz des von dem Fotodioden- Zeilenarrays 43 ausgelesenen, entzwitscherten Daten-Burst versetzt ist.
• Die beiden Takteingaben zu den Filtern 45, 46 mit geschaltetem Kondensator sind geringfügig (siehe Bezugszeichen 117 und 118) versetzt, so daß wegen der hier noch weiter diskutierten geschlossenen Rückkoppelschleife die Antwortspitzen der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator die Frequenz des aus dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesenen Daten-Burst symmetrisch umschließen. Wenn die Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator so abgestimmt sind, dann sind ihre Frequenzgangamplituden gleich. Wenn jedoch die Auslesung des Daten-Bursts dichter zu der Antwortspitze eines der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator liegt, wird dessen hüllkurvendetektierte Ausgabe größer sein. Auf diese Weise kann ein Fehler(Steuer)-Signal abgeleitet werden, das in einem Rückkoppelkreis dazu dienen kann, die Antwort der Filter 45, 46 symmetrisch um die Frequenz des aus dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesenen Daten-Burst zu halten.
• Das Rückkoppel-Fehlersignal zur Steuerung des spannungsgesteuerten Taktoszillators 42 wird wie folgt abgeleitet. Der Ausgang des Filters 45 mit geschaltetem Kondensator wird einem Hüllkurvendetektor 48 zugeführt, während der Ausgang des Filters 46 mit geschaltetem Kondensator einem Hüllkurvendetektor 49 zugeführt wird. Die Ausgaben der Hüllkurvendetektoren 48, 49 werden jeweils über Abtast- und Halteglieder 50, 51 abgetastet, und zwar an dem Ende einer jeden Auslesung eines Daten-Bursts zu dem Zeitpunkt, wo der Integrationsprozeß in jedem der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator beendet ist. Die Abtast- und Halteglieder empfangen entsprechende Eingaben von der Zeitsteuereinheit, wie es durch die Bezugszeichen 119 und 120 angedeutet ist.
• Um ein optimales Rückkoppel-Fehlersignal abzuleiten, ist es bevorzugt, daß die abgetasteten Ausgaben der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator so verarbeitet werden, daß das erhaltene Fehlersignal ungefähr proportional zu dem Frequenzversatz des Filters zu dem einkommenden Daten-Burst, aber zur gleichen Zeit relativ unabhängig von der Amplitude des Daten-Bursts ist. Dies kann erreicht werden, indem die Ausgaben der Abtast- und Halteschaltungen 50, 51 ins Verhältnis gesetzt werden. Dies wird erreicht, indem die Ausgaben der Abtast- und Halteglieder 50, 51 logarithmischen Verstärkern 52, 53 zugeführt und die Ausgaben der logarithmischen Verstärker 52, 53 einer Subtraktionsschaltung 54 zugeführt werden.
• Der Ausgang der Subtraktionsschaltung 54 ist eine direkte Funktion des Fehlers bei der Abstimmung der Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator bezogen auf die Frequenz des von dem Fotodioden-Zeilenarray 31 ausgelesenen Daten-Burst (Fig. 1, 2), wobei eine derartige Ausgabe relativ unempfindlich gegenüber der Amplitude des Daten-Bursts ist, was aus dem Subtrahieren von Logarithmen resultiert. Die Ausgabe der Subtraktionsschaltung 54 wird einem Glättungsfilter 55 (Rückkoppelfehlerfilter) zugeführt, das einen Widerstand und einen Kondensator umfaßt, die seriell zwischen den Ausgang der Subtraktionsschaltung 54 und Erde geschaltet sind. Das Signal an dem Knoten zwischen dem Widerstand und dem Kondensator ist das Rückkoppelfehlersignal 121, das dem spannungsgesteuerten Taktoszillator 42 zugeführt wird.
• In dem Analysator mit Nachlauffilter aus Fig. 6 wird der spannungsgesteuerte Taktoszillator 42 über eine Rückkopplung gesteuert, so daß die Filter 45, 46 mit geschaltetem Kondensator über Rückkoppelsteuerung so abgestimmt werden, daß sie die Frequenz des einkommenden Daten-Bursts symmetrisch umschließen.
• Die Frequenz dieses spannungsgesteuerten Oszillators ist daher proportional zu dem gemessenen Druck. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 42 wird über einen üblichen Frequenzzähler 56 detektiert und liefert dadurch eine Ausgabe, die in Druck übersetzt werden kann.
• Zusammengefaßt, der Analysator aus Fig. 6 mit Nachlauffilter (unter Bezugnahme auf Fig. 7, die das Zeitsteuersignal für den Nachlauffilterprozessor angibt) führt folgendes durch: Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird über eine Rückkopplung gesteuert, um so die dicht beabstandeten Antwortspitzen eines Paares von Filtern mit geschaltetem Kondensator symmetrisch bezogen auf die Frequenz eines von einem Fotodioden- Zeilenarray ausgelesenen, entzwitscherten Daten-Burst versetzt zu halten. Die Filter mit geschaltetem Kondensator dienen dazu, die Daten über der Dauer des ausgelesenen Daten-Burst schmalbandig zu filtern und zu integrieren, wobei die Daten dadurch im Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden (siehe die Datenintegration 122 in den Filtern mit geschaltetem Kondensator während des Ausleseintervalls 123 in Fig. 6). An dem Ende eines jeden Integrationsintervalles werden die Ausgaben aus den Filtern abgetastet (Bezugszeichen 124). Die abgetasteten Ausgaben werden verglichen, indem ihre Verhältnisse gebildet werden, und das sich ergebende Verhältnis wird geglättet und zu dem Spannungsgesteuerten Oszillator zurückgeführt, wodurch die Antwortspitzen der Filter mit geschaltetem Kondensator symmetrisch bezogen auf die Frequenz der aus dem Fotodioden-Array ausgelesenen, entzwitscherten Daten versetzt gehalten werden. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird bestimmt, um eine Ausgabe zu liefern, die für den gemessenen Druck kennzeichnend ist. Die letzteren Schritte sind in dem Diagramm aus Fig. 7 durch Filtern 125 und Filterablegen 126 während des Verarbeitungsintervalles 127 illustriert.
• Da die entzwitscherte Frequenzburst-Ausgabe des CCD-Array nicht von Auslesung zu Auslesung kohärent sein muß, ist es notwendig, sicherzustellen, daß die Nachlauffilter nicht gespeicherte Energie von einer Auslesung zur nächsten übertragen. Dies kann erreicht werden, wenn die Eingänge der Filter nach der Abtastung der hüllkurvendetektierten Ausgabe der Abtastglieder an dem Ende einer jeden Auslesung des Fotodioden-Zeilenarrays kurzgeschlossen werden.
• Es sollte bemerkt werden, daß die Antwortzeit im geschlossenen Kreis der Rückkoppelschaltung nur schnell genug gemacht werden muß, um den Anforderungen der Anwendung an die Aktualisierungsrate der Daten gerecht zu werden. Zur gleichen Zeit können Transienten höherer Frequenz, zum Beispiel Drucktransienten, in dem Fehlerkanal der Rückkoppelschleife beobachtet werden, indem vor den Glättungsschaltungen eine Ausgabe abgenommen wird.
• Die offenbarte Erfindung erwägt ferner ein entfernt gelegenes Meßgrößenumformersystem zum Messen von Temperatur. Die Temperaturmessung kann als gemessene Ausgabe erforderlich sein, aber sie kann ebenfalls benötigt werden, um Nebenwirkungen der Temperatur auf den Meßgrößenumformer für die Druckmessung zu kompensieren. Ein derartiges Temperatormeßsystem wäre dem vorstehend beschriebenen Druckmeßsystem ähnlich, aber mit einer unterschiedlichen Interferometerstruktur. Für das Temperaturmeßsystem sind die beiden die faseroptischen Windungen für Referenz und Messung umfassenden optischen Zweige des Interferometers so konfiguriert, daß kein Zweig durch Druck merklich beeinflußt wird. Das bedeutet, daß der messende Zweig nicht mit dem Druck in der Länge vergrößert wird, wie es bei dem Druckmeßsystem der Fall ist. Stattdessen kann die die Temperatur messende Wicklung um eine Struktur, so wie eine Buchse auf einem Zylinder gewickelt sein, wobei die Buchse einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Alternativ kann der Temperaturmeßzweig in Übereinstimmung mit der Temperatur linear gestreckt werden, zum Beispiel durch Verwendung eines Faltenbalges, dessen Länge mit der Temperatur zunimmt. Wie bei dem Druckmeßinterferometer wird auch hier wieder der messende Zweig des Temperaturmeßinterferometers so ausgelegt, daß er bei Minimumtemperatur geringfügig länger ist als der Referenzzweig des Interferometers. Eine zunehmende Temperatur wird daher die differentielle Länge weiter vergrößern. Die Temperatur kann durch Messung der differentiellen Länge des Temperaturmeßinterferometers bestimmt werden, wie es oben unter Bezugnahme auf den Analysator 40 beschrieben wurde.
• Das Vorstehende ist eine Offenbarung eines Ausführungsbeispieles eines Meßsystemes gewesen, das Vorteile schafft, wie die folgenden: Zwischen dem entfernten Meßgrößenumformer und dem Rest des Systemes ist keine elektrische Verbindung erforderlich. Stattdessen verwendet es nur optische Fasermittel, um das optische Spektrum von der Quelle zu dem Meßgrößenumformer zu übertragen und das Licht zu dem Analysator zurückzuübertragen, nachdem es längs des Spektrums durch das Interferometer des Meßgrößenumformers in der Amplitude moduliert wurde. Es verwendet nur passive Elemente in einem entfernten Meßgrößenumformer und erfordert keine Verstärkung zur Übertragung der gemessenen Daten zu dem Analysator des Sensors. Darüberhinaus verwendet das offenbarte Meßsystem weder für den Meßgrößenumformer (messendes Element) noch für die Datenübertragung von dem entfernten Meßgrößenumformer zu dem Analysator des Meßsystemes Energie. Es verwendet langlebige optische Komponenten für die Messung und für die Datenübertragung. Die Genauigkeit des offenbarten Meßsystemes sollte während seiner Betriebslebensdauer hoch bleiben, da die primären Parameter, die die Genauigkeit der Messung der differentiellen Länge beeinflussen, die optische Mittenwellenlänge, die Spannbreite der dem Interferometer zugeführten optischen Wellenlängen sowie die Ausbeute und Hysterese der optischen Sensorfaser und den Zylinder umfassen, auf den die Sensorfaser aufgewickelt ist.

Claims (14)

1. Meßsystem, mit:

(1.1) Mitteln (15, 17, 20) zum Bereitstellen einer optischen Beleuchtung mit einer Bandbreite von wenigstens 25 Nanometern;

(1.2) Mitteln (12, 36, 11) zum Übertragen der optischen Beleuchtung;

(1.3) einer Meßgrößenumformereinrichtung (30), die auf die übertragene optische Beleuchtung anspricht, um die optische Beleuchtung als Funktion eines beobachteten physikalischen Parameters in der Amplitude zu modulieren, um eine amplitudenmodulierte optische Beleuchtung in der Form von variierenden Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums bereitzustellen, wobei die Spitzenwerte und die Nulldurchgänge in ihrer Form ungefähr sinusförmig sind, die Frequenz der Nulldurchgänge längs des Spektrums der modulierten optischen Beleuchtung variiert und eine Funktion des beobachteten physikalischen Parameters ist;

(1.4) Mitteln (11, 36, 13) zum Übeetragen der modulierten optischen Beleuchtung;

(1.5) einer Analysatorvorrichtung (40), die auf die übertragene, modulierte optische Beleuchtung anspricht, um ein Ausgangssignal zu liefern, das für die im wesentlichen konstante Frequenz der periodischen Nulldurchgänge kennzeichnend ist, und die Mittel (27) zum spektralen Zerlegen der übertragenen, modulierten optischen Beleuchtung umfaßt;

dadurch gekennzeichnet, daß

(1.6) die Mittel (27) zum spektralen Zerlegen die übertragene, modulierte optische Beleuchtung optisch analysieren und ein spektral zerlegtes optisches Signal in der Form von variierenden Spitzenwerten und Nulldurchgängen längs des Beleuchtungsspektrums bereitstellen, wodurch das Signal für den spektralen Inhalt und die Amplituden der modulierten optischen Beleuchtung kennzeichnend ist; und daß

(1.7) die Analysatorvorrichtung (40) weiter umfaßt:

- Mittel (31, 33), die auf das spektral zerlegte optische Signal ansprechen, um die Frequenzvariation der periodischen Nulldurchgänge auf der Basis einer elektrischen Spektralanalyse zu entfernen und ein elektrisches Signal zu liefern, das für die im wesentlichen konstante Frequenz der periodischen Nulldurchgänge längs des Spektrums der modulierten optischen Beleuchtung kennzeichnend ist;

- Mittel (34) zum schmalbandigen Filtern des elektrischen Signales, um ein gefiltertes Signal zu liefern; und

- auf das gefilterte Signal ansprechende Mittel (34) zum Liefern des Ausgangssignales.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (27) zum optischen spektralen Zerlegen ein Beugungsgitter (27) umfassen.

3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das spektral zerlegte optische Signal ansprechenden Mittel (31, 33) aufweisen:

(3.1) Mittel (31) zum Detektieren des spektral zerlegten optischen Signales; und

(3. 2) eine Zeitablaufsteuerung (33), die ein Taktsignal von veränderlicher Frequenz für die Detektiermittel (31) bereitstellt, um deren Ausgabe zu takten.

4. Meßsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (31) zum Detektieren ein Zeilenarray von optischen Fotodetektoren, vorzugsweise ein Fotodioden-Zeilenarray (31) umfassen.

5. Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeilenarray von optischen Fotodetektoren ein getaktetes Detektor-Zeilenarray ist.

6. Meßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitablaufsteuerung (33) zum Takten des getakteten Detektor-Zeilenarrays weiter Mittel zum Variieren der Taktrate umfaßt, so daß die Frequenzvariation der periodischen Nulldurchgänge entfernt wird.

7. Meßsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (31) zum Detektieren ein Zeilenarray von ladungsträgergekoppelten Elementen umfassen.

8. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (34) zum schmalbandigen Filtern eine Bank (106) von bezüglich der Frequenzantwort aneinandergrenzend beabstandeten schmalbandigen Filtern umfassen.

9. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (34) zum schmalbandigen Filtern erste und zweite Filter (45, 46) mit geschaltetem Kondensator umfassen.

10. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das gefilterte Signal ansprechenden Mittel (34) aufweisen:

(10.1) einen gesteuerten Oszillator, vorzugsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator (42), um die ersten und zweiten Filter (45, 46) mit geschaltetem Kondensator zu takten;

(10.2) eine Rückkoppelschleife (48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55), die auf die Ausgaben von den ersten und zweiten Filtern (45, 46) mit geschaltetem Kondensator anspricht, um den gesteuerten Oszillator zu steuern, wodurch eine für die Frequenz der periodischen Nulldurchgänge kennzeichnende Taktfrequenz bereitgestellt wird;

(10.3) Mittel zur Frequenzbestimmung, vorzugsweise einen Frequenzzähler (56), um die Frequenz des gesteuerten 0szillators zu bestimmen.

11. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12, 36, 11) zum Übertragen der optischen Beleuchtung und die Mittel (11, 36, 13) zum Übertragen der modulierten optischen Beleuchtung jeweilige faseroptische Kabel (11, 12, 13) umfassen.

12. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößenumformereinrichtung (30) aufweist:

(12.1) Mittel (35) zum Aufteilen der übertragenen optischen Beleuchtung in zwei Kanäle;

(12.2) Mittel zum Variieren der differentiellen Länge zwischen den beiden Kanälen in Funktion des beobachteten Parameters; und

(12.3) Mittel (35) zum Rekombinieren der optischen Beleuchtung der beiden Kanäle.

13. Meßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Variieren der differentiellen Länge zwischen den beiden Kanälen erste und zweite optische Fasern (21, 23) umfassen.

14. Meßsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Länge einer der beiden ersten und zweiten optischen Fasern (21, 23) in Abhängigkeit von dem beobachteten Parameter ändert.