DE2849186C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektrisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Meßgerät ist bekannt aus der US 33 99 347.

Bei einem bekannten optoelektrischen Meßgerät zum Messen des in einem Behälter herrschenden Druckes ist in der Wand des Behälters eine biegsame Membran angebracht. Die Membran ist auf ihrer Außenseite spiegelnd. Zum Beleuchten der spiegeln­ den Oberfläche der Membran ist ein lichteinleitender Licht­ leiter (Sendelichtleiter) vorgesehen. Ein lichtfortleitender Lichtleiter (Empfangslichtleiter) ist mit seinem Ein­ gangsende derart angeordnet, daß von der spiegelnden Ober­ fläche reflektiertes Licht in diesen Lichtleiter einfallen kann. Am anderen Ende dieses Lichtleiters ist ein Lichtde­ tektor (Wandlerelement) vorgesehen, der die Stärke des Lichtes erfaßt, das in den Lichtleiter einfällt. Die spie­ gelnde Oberfläche der Membran sowie die Endflächen der Fa­ sern sind so angeordnet, daß das Licht, das über die spie­ gelnde Oberfläche von dem lichteinleitenden Lichtleiter in den lichtfortleitenden Lichtleiter gelangt, vom Druck im Be­ hälter abhängt. Durch Analyse des Lichtes des lichtfortlei­ tenden Lichtleiters kann also der Druck im Behälter gemessen werden.

Ein solches Meßgerät enthält jedoch eine Anzahl von Fehlern bzw. Fehlerquellen, durch die das Meßgerät für Messungen mit mäßigen oder hohen Ansprüchen an Genauigkeit ungeeignet wird. Im folgenden werden einige solcher Fehlerquellen ge­ nannt:

• - Instabilität der Lichtquelle und ihrer Speiseorgane.
• - Instabilität der Lichtempfänger und ihrer Verstärker.
• - Unterschiedliche Dämpfung der Lichtleiter (lichtleitenden Faser oder Faserbündel) aufgrund sogenannten "microben­ dings", das zur Folge hat, daß beim Biegen der Faser Licht aus dem Lichtleiter abgeleitet wird und eine unkon­ trollierbare Dämpfung des Lichtes eintritt.
• - Unterschiedliche Dämpfung an den Faserverbindungen und Instabilitäten in den Faseranschlüssen bei Lichtsendern und Empfängern.
• - Instabilitäten in den Befestigungsvorrichtungen für die Fasern.

Es ist offenbar, daß derartige Fehlerquellen bedeutende Meß­ fehler und eine große Unsicherheit hinsichtlich der Meßwerte verursachen können und daher auf irgendeine Weise eliminiert oder kompensiert werden müssen, wenn zuverlässige Meßwerte gefordert werden. Dies gilt insbesondere beim Messen unter verschiedenen Temperaturbedingungen und beim Messen über lange Zeiträume ohne Möglichkeit zur Eichung, da dann be­ stimmte Fehlerquellen sich besonders bemerkbar machen.

Aus der "European Abstracts Service" 1971, Nr. 29, Seite 4-26 ("Laser and Unconventional Optics Journal") ist ein Hygrome­ ter bekannt, bei dem Licht über einen Sendelichtleiter auf einen Spiegel geworfen wird, auf den sich die Feuchtigkeit aus der Luft, deren Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll, niederschlägt. Das über einen zweiten Lichtleiter, den Empfangslichtleiter, reflektierte Licht hängt von der Stärke des Niederschlages auf dem Spiegel ab und ist somit ein Maß für die Feuchtigkeit. Um zu einer absoluten Aussage über die Feuchtigkeit zu gelangen, wird das reflektierte Licht mit dem in den Sendelichtleiter hineingestrahlten Licht vergli­ chen. Hierzu wird dieses Licht direkt von der Lichtquelle über einen weiteren Lichtleiter auf eine Fotodiode gegeben, die dann das Bezugssignal liefert. Durch diese Referenzbil­ dung werden Instabilitäten der Lichtquelle automatisch kom­ pensiert, wenn am Meßort der Quotient aus dem vom Spiegel reflektierten Licht und dem Referenzlicht gebildet wird. Fehler, die auf Instabilitäten sowie Dämpfungen des Lichtes in den Lichtleitern beruhen, werden bei diesem Meßgerät nicht kompensiert. Sie verfälschen das Meßergebnis.

Aus der US 33 99 347 ist ein auf dem Drehspulprinzip beru­ hendes Spannungsmeßgerät bekannt, bei dem die Ablesung unter anderem auf photo-optischem Wege stattfindet. Zu diesem Zweck ist auf der Drehachse des Drehspulsystems eine Scheibe angeordnet, die grundsätzlich nicht reflektiert, aber zwei am Umfang hintereinander angeordnete Bereiche hat, von denen der eine rot und der andere blau ist. Die radiale Breite dieser Bereiche ändert sich längs des Umfanges. Vor dieser Scheibe ist im Umfangsbereich eine Lichtleiteranordnung an­ geordnet, die über einen Sendelichtleiter Licht heranführt, das von den blauen bzw. grünen Bereichen der Scheibe reflek­ tiert wird. Das reflektierte Licht wird von zwei Empfangs­ lichtleitern aufgenommen, die das Licht auf je einen Fotode­ tektor leiten, von denen der eine nur für rotes und der an­ dere für blaues Licht empfänglich ist. Die lichtabhängigen Widerstände der beiden Fotodetektoren liegen in je einem Zweig einer Meßbrücke, so daß am Nullzweig der Brücke eine Spannung abgenommen wird, die nach Vorzeichen und Größe den vom Drehspulgerät gemessenen Strom anzeigt. Eine Kompensa­ tion von Instabilitäten der verwendeten Lichtleiter ist nicht vorgesehen. Dadurch, daß die Meßsignale in den Emp­ fangslichtleitern in eine elektrische Brückenschaltung ein­ gebaut sind, wird das Meßergebnis weder durch Schwankungen der Sendelichtquelle verfälscht, noch durch Dämpfungen auf den Lichtleitern, sofern diese Dämpfungen für beide Emp­ fangslichtleiter gleich groß sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektri­ sches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu entwickeln, welches mit Kompensationseinrichtungen versehen ist, die auch imstande sind, Fehlereinflüsse zu kompensie­ ren, die durch unterschiedliche Dämpfungen in den Empfangs­ lichtleitern entstehen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optoelektrisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, wel­ ches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspru­ ches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch das Prinzip des Meßgerätes, gemäß der Erfindung,

Fig. 2a bis 2d das Prinzip für den Aufbau des Sensors,

Fig. 3 bis 6 Abwandlungen des Meßgerätes nach Fig. 1,

Fig. 7 ein Meßgerät mit zwei alternierenden Lichtquellen,

Fig. 8 und 8a ein Meßgerät mit einer faseroptischen Ver­ zweigung.

Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Grundprinzip für das Meßgerät mit Sensor und zugehöriger elektronischer Schaltung werden ein in den Sensor lichtleitender Lichtleiter (Sendelichtlei­ ter) und zwei vom Sensor lichtfortleitenden Lichtleiter 2 und 3 (Empfangslichtleiter) verwendet. Als Lichtleiter kann entweder ein Faserbündel oder eine Einzelfaser verwendet werden. Eine Leuchtdiode 4 oder ein Halbleiterlaser sendet Licht in dem Sendelichtleiter 1. Die von der Leuchtdiode ausgesandte Lichtintensität ist mittels eines Steuergliedes 7 steuerbar. Der durch die Empfangslichtleiter fließende Lichtfluß fällt auf zwei Wandlerelemente (Fotodioden, Foto­ transistoren, Fotoleiter oder CCD-Elemente) 5 bzw. 6, und die in den Wandlerelementen 5 und 6 erzeugten Fotoströme werden in zwei Detektorverstärkern 8 bzw. 9 verstärkt. Die von den Detektorverstärkern kommenden Signale werden zwei Summierungsgliedern 10 bzw. 11 zugeführt. Das Summierungs­ glied 10 hat zwei positive Eingänge, so daß an seinem Aus­ gang ein Signal auftritt, das der Summe der Ausgangssignale der Verstärker 8 und 9 entspricht. Dieses Signal wird als Steuersignal einem Eingang des Steuergliedes 7 zugeführt. Dieses Steuerglied steuert die Leuchtdiode 4 derart, daß das Summensignal am Ausgang des Summierungsgliedes 10 konstant bleibt, wodurch das Meßgerät gute Stabilisierungseigenschaf­ ten erhält. Das Summierungsglied 11 hat einen positiven und einen negativen Eingang, so daß dessen Ausgangssignal der Differenz der Ausgangssignale der beiden Verstärker 8 und 9 entspricht. Dieses Ausgangssignal stellt das Meßsignal dar und wird einem Instrument 12 zugeführt, das anzeigend, regi­ strierend oder auf andere zweckmäßige Weise ausgebildet sein kann.

Der durch den Sendelichtleiter 1 fließende Lichtfluß fällt auf einen Spiegel 13. Ein beweglicher Schirm 15 ist zwischen den Endflächen der Lichtleiter 1, 2 und 3 und dem Spiegel 13 angeordnet. Der Schirm hat eine Öffnung 16, die in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist und die derart in der neutralen Lage des Sensors liegt, daß die beiden Emp­ fangslichtleiter 2 und 3 gleich große Mengen des vom Spiegel reflektierten Lichtflusses erhalten. Dies hat zur Folge, daß die Ausgangssignale der Verstärker 8 und 9 gleich groß sind. Das Meßsignal wird somit Null, und das Steuersignal wird gleich dem doppelten Ausgangssignal von einem der Verstärker 8 oder 9. Es können alternative Schirmanordnungen gemäß Fig. 2a und 2c verwendet werden.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei senkrecht zueinander lie­ gende Schnitte durch den Sensorkörper. Fig. 2a zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2b, und Fig. 2b zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2a. Der Sensor enthält eine Siliziumplatte 20, in deren Fläche eine Nut 21 mit dreieckigem Querschnitt eingelassen ist. Die Nut kann beispielsweise durch Ätzung hergestellt werden. In der Nut liegen die drei Lichtleiter 1, 2 und 3. Sie sind in Epoxy­ harz 24 eingegossen und zwischen der Siliziumplatte 20 und einer Glas- oder Siliziumplatte 27 festgepreßt. In dem ge­ zeigten Beispiel liegt der Sendelichtleiter 1 am Boden der Nut. Der Bodenwinkel 22 der Nut beträgt 72°, wodurch ein ge­ wisser Abstand zwischen den beiden Empfangslichtleitern 2 und 3 entsteht. Die Lichtleiterhülle 23, welche die Lichtleiter normalerweise umschließt, ist unmittelbar an den Enden der Lichtleiter entfernt. Eine Glasplatte 25 trägt den Schirm 15 an ihrer auf die Endflächen der Lichtleiter gerichteten Seite und trägt gleichzeitig auch den Spiegel 13 auf ihrer entgegengesetzten Seite. Die Glasplatte ruht zwischen eini­ gen Federn 26 aus Metall, Silizium oder Glas, die mit ihrem einen Ende an der Siliziumplatte 20 befestigt sind. Die Glasplatte 25 kann sich also zusammen mit Schirm und Spiegel vor den Endflächen der Lichtleiter in einer Richtung bewe­ gen, die senkrecht zur Längsrichtung der Lichtleiter liegt. Das Material der Federn wird unter Berücksichtigung der am Einsatzort des Sensors herrschenden Verhältnisse gewählt, also beispielsweise mit Rücksicht auf das Vorhandensein von elektrischen oder magnetischen Feldern, einer chemisch ag­ gressiven Atmosphäre oder dergleichen.

Aus Fig. 2a und 2b geht hervor, daß der Schirm 15 nur die Empfangs­ lichtleiter abschirmen kann und daß sich die abgeschirmte Fläche verändert, wenn sich die Platte 25 in seitlicher Richtung bewegt, also im Sinne von oben nach unten bzw. von unten nach oben in Fig. 2a und 2b. Dadurch, daß sich der Schirm vor den Endflächen der Lichtleiter bewegt, erhält man einen linearen Bereich für das Meßsignal als Funktion der Lage des Schirmes.

Die Fig. 2c und 2d zeigen eine alternative Ausführung des mechanischen Aufbaus des Sensors, mit der man eine bessere Linearität des Sensors erhält. Fig. 2c zeigt einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 2d, und Fig. 2d zeigt einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 2c. In jede der beiden gegeneinandergepreßten Siliziumplatten 20 a, 20 b sind drei parallele Nuten 21 geätzt. Der Sendelichtleiter 1 ist zwi­ schen den mittleren Nuten 21 a der Siliziumplatten festge­ preßt, und die beiden Empfangslichtleiter 2 und 3 sind zwi­ schen den äußeren Nuten 21 b und 21 c der Platten festgepreßt. Sämtliche Lichtleiter sind in Epoxyharz 24 eingegossen, der auch die Siliziumplatten zusammenhält, welche von Glaskör­ pern 27 a und 27 b umgeben sind. Fig. 2d zeigt, daß in die Glaskörper 27 a und 27 b Nuten 28 zur Befestigung der Federn 26 eingearbeitet sind. Diese Federn sind mit ihrem anderen Ende in Nuten 29 in der Glasplatte 25 befestigt. Die Glas­ platte 25 trägt den Schirm 15, der mit gestrichelten Linien in Fig. 2c gezeigt ist, sowie die spiegelnde Fläche 13. Sowohl in Fig. 2c als auch in Fig. 2d verläuft die Bewe­ gungsrichtung der Glasplatte von oben nach unten bzw. von unten nach oben. Dadurch, daß die Glaskörper 27 a und 27 b länger als die Siliziumplatten 20 a und 20 b sind, was aus Fig. 2d hervorgeht, erhält man einen Raum für die Lichtlei­ terhülle 23, die im Sensor von dem Epoxyharz 24 umgeben ist. Der anfangs genannte Schirm 15 ist bei dieser Ausführung in zwei Teilschirme 15 a und 15 b geteilt, die auf der Glasplatte 25 befestigt sind, so daß sie sich in ihren Bewegungen fol­ gen. Wenn sich die Glasplatte nach oben bewegt, wird der vom Teilschirm 15 a abgedeckte Teil der Endfläche des Lichtlei­ ters 2 kleiner, während der vom Teilschirm 15 b bedeckte Teil der Endfläche des Lichtleiters 3 in entsprechendem Maße größer wird. Dies hängt damit zusammen, daß sich der Schirm 15 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Lichtleiter 1, 2 und 3 bewegt. Wenn sich die Glasplatte 25 mit dem Schirm 15 nach unten bewegt, ändern sich die von den Teil­ schirmen bedeckten Lichtleiterendflächen in entgegengesetz­ ter Richtung.

Wie bereits erwähnt, dient das Meßgerät zum Messen physika­ lischer Größen. Ein nicht gezeigter Geber ist in jedem Fall angeordnet, um die zu messende Größe auf bekannte Weise in eine Bewegung umzuwandeln, die auf den Teil des Sensors übertragen wird, der den Schirm 15 trägt. Dabei bewegt sich der Schirm in einer Weise, die dem Zustand der zu messenden Größe entspricht. Die Ausführung des genannten Gebers zur Umwandlung von physikalischen Größen, wie z.B. Lage, Kraft, Druck, Beschleunigung, Flußgeschwindigkeit, Temperatur usw., in eine Bewegung zur Verschiebung des Schirms im Sensor kann auf verschiedene Arten erfolgen. Da die Art dieser Umwand­ lung für das Wesen und das Verständnis des Meßgerätes nach der Erfindung unwichtig ist, wird auf eine genauere Be­ schreibung hier verzichtet. In den meisten Fällen ist es am besten, der Platte 25 eine Bewegung zu geben, die parallel zu den Endflächen der Fasern verläuft, indem man die Platte beispielsweise, wie gezeigt, an weichen Federn oder Membra­ nen aufhängt. Alternativ kann die Platte jedoch an einer einzigen Blattfeder befestigt werden, die in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Platte liegt. Die dabei auftretende nicht geradlinige Bewegung kann entweder elek­ tronisch oder durch nicht lineare Abschirmung kompensiert werden.

Alternativ kann die spiegelnde Fläche 13 an einem Körper an­ geordnet sein, der mit der Siliziumplatte 20 fest verbunden ist. Der Schirm 15 wird dabei auf einer durchsichtigen Platte zwischen der Spiegelfläche 13 und den Endflächen der Lichtleiter angeordnet und auf gleiche Weise wie die Glas­ platte 25 in Fig. 2a aufgehängt.

Gemäß einer anderen Alternative kann der Sendelichtleiter 1 so angeordnet werden, daß seine Lichtaustrittsfläche auf die Endflächen der Empfangslichtleiter gerichtet ist. Das Licht fließt dabei direkt von dem Lichtleiter 1 in die Lichtleiter 2 und 3. Dabei ist der Schirm 15, der beweglich ist, zwi­ schen der Endfläche des Sendelichtleiters und den Endflächen der Empfangslichtleiter angeordnet. Dieser Sensortyp ist so­ mit mit Lichtleitern an zwei Enden versehen, was beim An­ bringen des Gebers am Meßobject mehr Platz erfordert. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Ende des Sendelichtlei­ ters an einem ersten Teil des Sensors befestigt sein, wäh­ rend die Enden der Empfangslichtleiter in einem zweiten Teil des Sensors befestigt sind. Die beiden Teile sind dabei im Verhältnis zueinander in Abhängigkeit der zu messenden Größe beweglich, und diese Bewegung erfolgt in der Ebene, in wel­ cher die beiden Empfangslichtleiter liegen. Damit der Sensor eine annehmbare Linearität erhält, ist darauf zu achten, daß bei der relativen Bewegung zwischen den Teilen des Sensors die Zunahme von einfallendem Licht in dem Empfangslichtlei­ ter im wesentlichen mit der Abnahme des einfallenden Lichtes in dem anderen Empfangslichtleiter übereinstimmt. Dieses kann durch einen Schirm zwischen den Endflächen des Sende­ lichtleiters und der Empfangslichtleiter erreicht werden. Der Schirm ist dabei mit einem oder mehreren lichtdurchläs­ sigen Feldern versehen, durch welche die gewünschte Lineari­ tät zustandekommt.

In den Fig. 3 bis 6 wird eine Weiterentwicklung des in der Fig. 1 dargestellten Meßgerätes gezeigt. Mit dem Gerät nach diesen Figuren erhält man eine verbesserte Stabilität der Optoelektronik und der Faseroptik. Dies wird mit Hilfe eines zweiten Sendelichtleiters zum Sensor erreicht, wobei das Licht von diesem Lichtleiter dazu benutzt wird, um die Übereinstimmung (matching) zwischen den beiden Empfangs­ lichtleitern mit zugehörigen Detektorverstärkern und elek­ tronischen Schaltung sicherzustellen. Eine solche Überein­ stimmung ist erforderlich, damit die genannte Stabilisierung mit dem Licht von dem ersten Sendelichtleiter unter allen Umständen wirksam ist.

In den Fig. 3 bis 6 ist der erste Sendelichtleiter mit 1 und der zweite Sendelichtleiter mit 30 bezeichnet, und die beiden Empfangslichtleiter sind mit 2 und 3 bezeichnet. Eine Lichtquelle 4 mit einem Steuerglied 7 sendet Licht in dem Lichtleiter 1, wobei die Intensität dieses Lichtes durch das Steuerglied steuerbar ist. Für den Lichtleiter 30 ist eine entsprechende Lichtquelle 31 mit einem Steuerglied 32 vor­ handen. Der durch die Empfangslichtleiter 2 bzw. 3 fließende Lichtstrom wirkt auf die Fotodetektoren 5 bzw. 6, deren Fo­ toströme in den Detektorverstärkern 8 bzw. 9 verstärkt wer­ den.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Meßgerät fällt ein Teil des Lichtes von dem ersten Sendelichtleiter 1 durch ein horizon­ tales, durchsichtiges Feld 19 zwischen zwei abschirmenden Abschnitten 18 einer Scheibe 17, die in Fig. 3a gezeigt ist und die zwischen dem das freie Ende des Lichtleiters 1 tra­ genden Sensorteil 20 und dem die Lichtleiter 2, 3 und 30 tragenden Sensorteil 25 angeordnet ist. Fig. 3a zeigt die Scheibe 17 in einem Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 3. Das Sensorteil 20 ist so angeordnet, daß es sich in Richtung des Pfeiles 20 a in Fig. 3 bewegen kann. Wenn sich das Sen­ sorteil 20 im Verhältnis zum Sensorteil 25 nach oben bewegt, dann wird mehr Licht von dem Lichtleiter 1 in den Lichtlei­ ter 3 und weniger Licht von dem Lichtleiter 1 in den Licht­ leiter 2 geleitet. Wenn sich das Sensorteil 20 nach unten be­ wegt, ergibt sich die entgegengesetzte Verschiebung des Lichteinfalls in die Lichtleiter 3 und 2. Da die Lichtleiter 2, 3 und 30 im Sensorteil 25 fixiert sind, wird das Licht von dem Lichtleiter 30 durch Reflexion an den abschirmenden Flächen 18 der Scheibe 17 derart in die Lichtleiter 2 und 3 hineingeleitet, daß die Verteilung des Lichtes der Lichtleiter 30 auf die Lichtleiter 2 und 3 von der relativen Bewe­ gung zwischen den Sensorteilen 20 und 25 unabhängig ist.

Das Licht in der Faser 30, das von der Lichtquelle 31 er­ zeugt wird, ist im Steuerglied 32 mit der Frequenz f ₀ modu­ liert, die mit Hilfe eines Oszillators 33 erzeugt wird. Zur Kompensierung der Instabilitäten, die in einem der Lichtlei­ ter 2 bzw. 3 und dem zugehörigen Detektor 5 bzw. 6 und De­ tektorverstärker 8 bzw. 9 auftreten können, wird ein ver­ stellbarer Verstärker 34, alternativ ein Multiplikations­ glied oder ein verstellbarer Spannungsteiler, an den Ausgang des Verstärkers 9 angeschlossen und von einem Regler 35 der­ art gesteuert, daß die Differenz zwischen den Amplituden der Wechselstromkomponenten mit der Frequenz f ₀, die an den Aus­ gängen der Verstärker 8 bzw. 34 auftreten, auf Null gehalten wird. Dies erreicht man dadurch, daß die Wechselstromkompo­ nenten mit der Frequenz f ₀ der beiden Detektorsignale mit Hilfe von Bandfiltern 36 bzw. 37 herausgefiltert, in Gleich­ richtern 38 bzw. 39 gleichgerichtet und danach in Tiefpaß­ filtern 40 bzw. 41 gefiltert werden. Die derart behandelten Signale werden dem Plus- bzw. Minuseingang eines Summie­ rungsgliedes 42 zugeführt, und das von diesem gelieferte Differenzsignal wird auf den Regler 35 gegeben, der den Ver­ stärker 34 steuert, so daß die beiden Komponenten mit der Frequenz f ₀ vom Verstärker 8 und vom Verstärker 34 dieselbe Amplitude bekommen, wodurch die richtige Übereinstimmung der beiden Faseroptik- und Optoelektronikzweige des Sensors ga­ rantiert wird. Um eine absolute Stabilisierung des Gebersy­ stems zu erreichen, werden die Signale der Verstärker 8 und 34 in einem Summierungsglied 10 summiert. Das Summensignal wird in einem Tiefpaßfilter 43 gefiltert und dem einen Ein­ gang eines Subtraktionsgliedes 44 zugeführt, dessen anderem Eingang ein Bezugssignal V _ref zugeführt wird. Das Ausgangs­ signal des Gliedes 44 wird auf einen Regler 45 gegeben, der das Steuerglied 7 der Lichtquelle 4 steuert. Das Licht von der Lichtquelle wird damit derart gesteuert, daß das gefil­ terte Summensignal des Filters 43 mit dem Bezugssignal V _ref übereinstimmt. Das Meßsignal erhält man durch Bildung der Differenz zwischen den auf Übereinstimmung geregelten Aus­ gangssignalen der Verstärker 8 und 34 in einem Summierungs­ glied 11 und Filtern des Differenzsignals in einem Tiefpaß­ filter 46. Das gefilterte Signal wird einem an sich bekann­ ten anzeigenden oder registrierenden Instrument 12 zuge­ führt.

Fig. 3b zeigt eine andere Anordnung zur Stabilisierung des an das Instrument 12 gelieferten Meßsignals. Die Ausgangssi­ gnale der Summierungsglieder 10 und 11 werden über die Fil­ terkreise 43 und 46 einem Quotientenbilder 47 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Instrument 12 zugeführt wird. Das Bezugssignal V _ref wird dann dem Steuerglied 7 direkt zuge­ führt, so daß der Regler 45 und das Subtraktionsglied 44 entfallen.

Fig. 4 zeigt eine Fig. 3 entsprechende Sensoranordnung bei einem Sensor gemäß den Fig. 2a und 2b. Fig. 4 zeigt nicht nur die Anbringung des Sendelichtleiters 30 bei einem anderen Sensortyp als dem in Fig. 3, sondern zeigt zugleich eine Elektronik, die für den Fall geeignet ist, daß das Licht in den beiden Empfangslichtleitern 2 und 3 mit zwei verschiedenen Frequenzen f ₀ und f ₁ amplitudenmoduliert ist.

Fig. 4a zeigt genauer den Aufbau des Sensors mit dem zwei­ ten Sendelichtleiter 30, dessen Licht zum Teil an einem Schirm 48 auf solche Weise reflektiert und in die Empfangs­ lichtleiter 2 und 3 geleitet wird, daß das Verhältnis zwi­ schen dem von dem Lichtleiter 30 zum Lichtleiter 2 und von dem Lichtleiter 30 zum Lichtleiter 3 reflektierten Lichtes konstant und von der Lage des Schirms 48 unabhängig ist. Ein Teil des Lichtes von dem Sendelichtleiter 1 fällt auf einen Spiegel 49 hinter dem Schirm 48 und wird durch einen im Schirm 48 befindlichen Spalt 50 in die beiden Empfangslichtleiter 2 und 3 reflektiert. Die Differenz zwischen den Lichtflüssen, die in den beiden Empfangslichtleitern auftre­ ten, ist somit eine Funktion der Lage des Schirmes in hori­ zontaler Richtung. Die Stabilisierung der Übereinstimmung wird hier dadurch erreicht, daß in einem Summierungsglied 51 die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektorver­ stärker 8 und 34 gebildet wird, das Differenzsignal dann ein Bandpaßfilter 52 passiert, in einem Gleichrichter 53 gleich­ gerichtet wird und nach Filtrierung in einem Tiefpaßfilter 54 einem Regler 55 als Fehlersignal zugeführt wird, so daß dieser Regler den Verstärker 34 so steuert, daß das Aus­ gangssignal des Summierungsgliedes 51 nach einer Amplituden­ demodulation mit der Frequenz f ₀ in den Schaltungselementen 52, 53, 54 auf Null gehalten wird. Die absolute Stabilisie­ rung geschieht dadurch, daß die Signale der Verstärker 8 und 34 in einem Summierungsglied 56 summiert, in einem Filter 57 bandpaßgefiltert, in einem Gleichrichter 58 gleichgerichtet und in einem Filter 59 tiefpaßgefiltert werden und dann ei­ nem Eingang eines Summierungsgliedes 60 zugeführt werden, welches die Differenz zwischen diesem Signal und einem Be­ zugssignal V _ref bildet. Das gewonnene Differenzsignal wird als Fehlersignal auf einen Regler 61 gegeben, dessen Aus­ gangssignal einen Verstärker 62 steuert, der die Amplitude des Ausgangssignals von einem Oszillator 63 mit der Frequenz f ₁ derart regelt, daß das für das Signal mit der Frequenz f ₁ in den Gliedern 57, 58 und 59 demodulierte Summensignal auf dem Wert des Bezugssignals V _ref gehalten wird. Das Meßsignal erhält man schließlich wie das Differenzsignal, indem das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 51 über die Schal­ tungselemente 64, 65 und 66 für die Frequenz f ₁ amplituden­ moduliert wird und auf das Anzeige- oder Registrierinstru­ ment 12 gegeben wird. Das Signal mit der Frequenz f ₀ wird von einem Oszillator 67 erzeugt und speist das Steuerglied 32.

Fig. 4b zeigt eine Abwandlung des Sensors nach Fig. 4a. Durch eine etwas andere Ausführung des Schirmes 48 im Sensor gelangt weniger Licht in die beiden Empfangslichtleiter 2 und 3, wenn sich der Schirm nach links bewegt, während mehr Licht in die Fasern gelangt, wenn sich der Schirm nach rechts bewegt. Dies hat zur Folge, daß das Summenlicht eine Funktion der Lage des Schirmes ist, während das Differenz­ licht konstant und von der Bewegung des Schirmes in seitli­ cher Richtung unabhängig ist. Dem Spalt 50 in Fig. 4a ent­ sprechen die beiden Spaltöffnungen 50 a und 50 b in Fig. 4b. In der elektronischen Schaltung hat die Änderung des Spaltes zur Folge, daß in dem Summierungsglied 51 die beiden Ein­ gangsgrößen nicht subtrahiert, sondern summiert werden, wäh­ rend in dem Summierungsglied 56 die beiden Eingangsgrößen subtrahiert und nicht mehr summiert werden. Im übrigen bleibt die elektronische Schaltung unverändert.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Einleitung des Lichtes von dem zweiten Sendelichtleiter 30 in die Empfangs­ lichtleiter 2 und 3 nicht im Sensor selbst, sondern an ir­ gendeiner Stelle außerhalb des Sensors zwischen dem Sensor und den Lichtdetektoren erfolgt. Dabei erhält man allerdings keine Regelung der Übereinstimmung für den Teil der beiden Lichtleiter, der sich zwischen dem Sensor und der Einschalt­ stelle befindet. Die zu dem Sensor gehörenden Elemente sind bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden, so daß auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Um Licht von dem zweiten Sendelichtleiter 30 in die Empfangslichtlei­ ter zu leiten, ist eine Lichtleiterverbindung 68 vorgesehen. Fig. 5a zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 5 mit der Anordnung der drei Lichtleiter. Die elektronische Schaltung unterscheidet sich in diesem Fall von der in Fig. 3 gezeigten dadurch, daß zur Modulation der Lichtquelle 31 statt einer Sinuswelle eine Rechteckwelle verwendet wird. Dies hat zur Folge, daß die Bildung des Fehlersignals für den Regler 35 durch Demodulation des Differenzsignals vom Summierungsglied 11 mittels Filtrierung in einem Filter 69, das an den Ausgang des Gliedes 11 angeschlossen ist, phasen­ empfindlicher Gleichrichtung in einem Gleichrichter 70 und Tiefpaßfilterung in einem Filter 71 vorgenommen werden kann. Im übrigen ist die elektronische Schaltung so aufge­ baut, wie es Fig. 3 zeigt.

In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen werden zwei Empfangslichtleiter verwendet, um den Meßwert betreffende Informationen zu übertragen. Fig. 6 zeigt ein Ausführungs­ beispiel, bei dem ein Empfangslichtleiter 3 a, 3 b zur Über­ tragung des Meßsignals von Sensor zur Meßelektronik verwen­ det wird. Im Sensor selbst befindet sich eine Glasscheibe 17, die bei Bewegungen in Richtung des Doppelpfeiles in Fig. 6a mittels eines auf der Scheibe angebrachten Schirmes 18 mehr oder weniger von dem Licht abschirmt, das von dem Sendelichtleiter 1 nach Reflexion an der spiegelnden Fläche 49 das Eintrittsende des Empfangslichtleiters 3 a erreicht. Da vor dem Empfangslichtleiter 2 a kein Schirm vorhanden ist, wird das in diese hineinreflektierende Licht nicht von den Bewegungen der Glasscheibe 17 beeinflußt. Fig. 6a zeigt die Glasscheibe mit dem Schirm 18, die mit ihren Flächen senk­ recht zu den Lichtleiterflächen liegen. Von der Leuchtdiode 4 wird ein kontinuierliches Lichtsignal durch die Faser 1 zum Sensor geleitet. Der Teil dieses Lichtes, der vom Spie­ gel 49 in den Empfangslichtleiter 2 a hineinreflektiert wird, wird über eine Lichtleiterverbindung 68 von dem Lichtleiter 2 b weiter zur Fotodiode 5 geleitet, deren Fotostrom im Ver­ stärker 8 verstärkt und über ein Tiefpaßfilter 72 zu dem einen Eingang des Summierungsgliedes 44 geleitet wird, in welchem die Differenz zu einem Bezugssignal V _ref gebildet wird. Das Summierungsglied 44 liefert ein Fehlersignal, das über den Regler 45 dem die Leuchtdiode steuernden Steuer­ glied 7 der Leuchtdiode 4 zugeführt wird, so daß das Aus­ gangssignal des Filters 72 auf dem Wert V _ref gehalten wird. Das Licht, das nach Passieren des Schirms 18 in dem Lichtleiter 3 a gelangt, wird durch den Lichtleiter 3 b zur Fotodi­ ode 6 weitergeleitet, deren Fotostrom in den Verstärkern 9 und 21 verstärkt und nach einer Tiefpaßfilterung in Filter 73 als Meßsignal verwendet und dem Anzeige- oder Registrier­ instrument 12 zugeführt wird. Auf gleiche Weise, wie im Zu­ sammenhang mit Fig. 5 beschrieben, wird das von der Licht­ quelle 31 emittierte und durch den Lichtleiter 30 ausge­ sandte Licht dazu verwendet, um über die Lichtleiter 2 b und 3 b den Verstärker 34 derart zu steuern, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Verstärker 8 und 21 im Hin­ blick auf das durch den Lichtleiter 30 fließende Wechsel­ licht auf Null gehalten wird.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der man anstelle verschie­ dener Modulationsfrequenzen für die Lichtquellen 4 und 31 dieselbe Modulationsfrequenz während verschiedener Zeitin­ tervalle verwendet, damit man mittels der Detektoren 5 und 6 bestimmen kann, von welchem der Sendelichtleiter 1 und 30 das in den Empfangslichtleitern vorhandene Licht stammt. Die Sensor- und Lichtleiteranordnung selbst stimmt mit der in Fig. 3 gezeigten überein und wird daher nicht erneut be­ schrieben. Um die Lichtquellen 4 und 31 abwechselnd ein­ schalten und gleichzeitig eine erforderliche Verarbeitung der Signale der Detektorverstärker 8 und 9 vornehmen zu kön­ nen, ist jedoch eine etwas anders ausgebildete elektronische Schaltung als in Fig. 3 erforderlich. Ein Oszillator 78 steuert einen analogen Schalter 73, der während eines be­ stimmten Teils der Periodendauer des Oszillators die Bezugs­ spannung V _ref auf das Steuerglied 32 für die Lichtquelle 31 schaltet, so daß die Lichtquelle 31 Licht in den Sendelicht­ leiter 30 sendet. Während desselben Zeitintervalls wird ein anderer analoger Schalter 75 über ein Negationsglied 77 of­ fen gehalten, wodurch die Lichtquelle 4 gelöscht ist. Der Oszillator 78 steuert ferner ein Zerhacker- und Halteglied 82 derart, daß es in dem genannten Zeitintervall als Zerhac­ ker (sampling) arbeitet, wodurch das Ausgangssignal eines Reglers 83 den regelbaren Verstärker 80 derart steuern kann, daß das Ausgangssignal von diesem auf dem gleichen Wert wie das Ausgangssignal vom Detektorverstärker 8 gehalten wird. Die Ausgangssignale dieser beiden Verstärker werden in einem Summierungsglied 81 verglichen, dessen Ausgang an den Ein­ gang des Reglers 83 angeschlossen ist.

Die elektronische Schaltung führt somit eine Übereinstim­ mungsstabilisierung (matchingstabilisierung) während des Teils der Periodendauer des Oszillators 78 durch, während welchem die Lichtquelle 31 angeschaltet ist. Während des üb­ rigen Teils der Periodendauer des Oszillators ist der Schal­ ter 73 geöffnet, so daß die Lichtquelle 31 gelöscht ist und sich das Glied 82 in Haltelage befindet, während die einge­ regelte "matchingsstabilisierende" Verstärkung am Verstärker 80 eingestellt bleibt. Während dieses Teils der Peri­ odendauer des Oszillators wird die Lichtintensität der Lichtquelle so eingestellt, daß das Summensignal von einem Summierungsglied 79 denselben Wert wie das Bezugssignal V _ref annimmt. Dies kann dadurch geschehen, daß der Schalter 75 den Ausgang des Summierungsgliedes 74 auf den Eingang des Reglers 76 schaltet, wodurch die vorstehend beschriebene Einregelung der Lichtquelle 4 erfolgen kann. Nachdem diese Einregelung vorgenommen worden ist, liest das Zerhacker- und Halteglied 84 das Ausgangssignal vom Summierungsglied 81 ab, das als Differenzbilder geschaltet ist, und hält diesen Wert bis zur nächsten Ablesung. Diese Ablesungen werden mit der vom Oszillator 78 gegebenen Frequenz vorgenommen, und der Meßwert wird vom Instrument 12 angezeigt.

Entsprechend Fig. 1 werden zwischen elektronischer Schaltung und Sensor drei Lichtleiter verwendet. Diese Anzahl kann je­ doch auf zwei reduziert werden, wenn eine Lichtleiterver­ zweigung gemäß Fig. 8 verwendet wird. Das von der Licht­ quelle 4 ausgehende Licht wird über einen Lichtleiter 86 zu einer Verzweigung 91 und weiter durch den Lichtleiter 1 zum Sensor geleitet, der einen festen Schirm 88 mit einem trans­ parenten Spalt 90 umfaßt, wie in Fig. 8a gezeigt. Ein Teil des Lichtes von dem Lichtleiter 1 fällt durch den Spalt 90 des Schirmes 88 auf einen beweglichen Spiegel 89. Dieser Spiegel reflektiert einen Teil des einfallenden Lichtes zu­ rück in den Lichtleiter 1, und über die Verzweigung 91 wird ein Teil des reflektierenden Lichtes durch einen Lichtleiter 87 zur Fotodiode 5 geleitet. Ein Teil des Lichtes, das im Sensor über die obere Kante des Spiegels 89 hinweggestrahlt wird, wird von dem Lichtleiter 3 zur Fotodiode 6 geleitet. Dies bedeutet, daß das Licht zur Fotodiode 5 zunimmt und das Licht zur Fotodiode 6 abnimmt, wenn sich der Spiegel 89 nach oben bewegt, und umgekehrt, wenn sich der Spiegel nach unten bewegt. Bei geeigneter Wahl des Schirms 88 und der Verstär­ kungen in den Detektorverstärkern 8 und 9 erhält man somit dasselbe Verhältnis, wie für das Meßgerät nach Fig. 1, so daß dieselbe elektronische Schaltung verwendet werden kann. Fig. 8 zeigt jedoch eine Abwandlung der elektronischen Schaltung, bei der das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 10 dazu benutzt wird, über einen Regler 92 zwei übereinstim­ mende, regelbare Verstärker 93, 94 anstelle der Lichtquelle 4 zu steuern, die in diesem Falle mit konstanten Strom ge­ speist wird.

Claims (9)

1. Optoelektrisches Meßgerät mit einer das Lichteintritts­ ende eines Sendelichtleiters (1) beaufschlagenden Meßlicht­ quelle (4), mit einem an das Lichtaustrittsende des Sende­ lichtleiters angeschlossenen Sensor, der das ihm zugeführte Licht meßgrößenabhängig moduliert, mit zwei dem Sensor op­ tisch nachgeordneten Empfangslichtleitern (2, 3; 2 b, 3 b; 1, 87, 3), deren Lichteintrittsenden dem Sensor zugewandt sind und deren Lichtaustrittsenden mit je einem photoelektri­ schen Wandlerelement (5, 6) in Verbindung stehen, sowie mit einer von den Wandlerelementen gespeisten elektronischen Schaltung zur Erzeugung eines der Meßgröße entsprechenden elektrischen Signals, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Kompensation von Instabilitäten im optischen Übertragungspfad ein besonderes, meßgrößenunabhän­ giges Kompensationssignal erzeugt wird aus den zwei opti­ schen Ausgangssignalen der Empfangslichtleiter (2, 3; 2 b, 3 b; 1, 87, 3) mit Hilfe der Wandlerelemente (5, 6) und der elektronischen Schaltung (8, 9, 10; 8, 9, 10, 92, 93, 94).

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kompensationssignal auch Instabili­ täten in den Wandlerelementen (5, 6) und den diesen nachge­ schalteten Verstärkern (8, 9, 34) berücksichtigt.

3. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus der Differenz oder der Differenz und der Summe (Fig. 3b) der Lichtsignale der Empfangslichtleiter gebildet wird, während das Kompensationssignal aus der Summe und/oder der Differenz der Lichtsignale der beiden Empfangslichtleiter gebildet wird.

4. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an je eine Lichtquelle angeschlossene Sendelichtleiter zum Sensor führen, wobei die Lichtquellen mit verschiedenen Frequenzen, einschließlich der Frequenz Null, moduliert sind, und daß die elektronische Schaltung Filterkreise enthält zur Auftei­ lung der entsprechenden von den Wandlerelementen (5, 6) kom­ menden Signale in zwei den genannten Frequenzen entsprechen­ den Komponenten.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei an je eine Lichtquelle angeschlossene Sendelichtleiter zum Sensor füh­ ren, wobei die Lichtquellen während verschiedener Zeitinter­ valle Licht in die Sendelichtleiter einspeisen, und daß den Empfangslichtleitern in der elektronischen Schaltung Zerhac­ kerglieder (82, 84) nachgeschaltet sind zur Auf­ teilung der entsprechenden von den Wandlerelementen kommen­ den Signale in zwei den genannten Sendelichtleitern entspre­ chende Komponenten.

6. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompen­ sationssignale zur Regelung des Verstärkungsgrades eines der an die Wandlerelemente (5, 6) angeschlossenen Verstärkers (34, 9) in der Weise dienen, daß die resultierende Übertra­ gungscharakteristik des Empfangslichtleiters, des Wandlerele­ mentes und des Verstärkers für beide Empfangslichtleiter-Pfade gleich ist.

7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Glieder vorhanden sind zur Bildung der Differenz der Lichtsignale der beiden Empfangslichtleiter im Hinblick auf die Komponente, die von der Meßgröße unabhängig ist, und zur Verwendung dieser Differenz zur Regelung des Verstärkungsgrades des einen genannten Verstärkers (34, 9) derart, daß die Differenz zwischen den Signalen von den bei­ den Verstärkern (34, 9; 8) im Hinblick auf die betreffende Komponente auf Null gehalten wird.

8. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der über die beiden Empfangslichtleiter übertragenen Meß­ lichtmenge durch Steuerung der Meßlichtquelle (4) auf einen konstanten Wert geregelt wird.

9. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein von der zu messenden Größe beeinflußbares Glied (15) hat zur Modulation des dem Sensor zugeführten Meßlichtes und zur Bildung von Lichtsignalen für die Wandlerelemente in der elektronischen Schaltung und daß der Sensor so beschaffen ist, daß er das Licht einer zur Kompensation der genannten Instabilitäten dienenden Hilfslichtquelle (31) hinsichtlich seiner Aufteilung auf die beiden Empfangslichtleiter nicht beeinflußt.