JPH04263399A - 非電気的な信号及びエネルギーの伝送による測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定個所から受信個
所へ光測定信号を伝送する光導波路と、光導波路の測定
個所に電気的センサ及び送信ダイオードとを備え、その
際センサが特に送信ダイオードでの測定に関係する電気
信号の発信のために用いられ、それに基づいて送信ダイ
オードにより相応の光測定信号が光導波路へ入力される
遠隔測定個所での測定値の検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】前記の種類の測定装置は既に知られてい
る。その際電気的センサ及び送信ダイオードは多くの場
合測定個所へ伝送される電気エネルギーを供給される。 しかしながらこの種の解決策は例えば防爆領域及び高電
圧領域のような或る種の敏感領域でセンサを駆動する際
には使用できない。この領域では電気絶縁性材料による
長い距離にわたる電位分離が必要である。電気エネルギ
ーの供給の際に起こるおそれのある導線の電磁作用は、
一方ではエネルギー及び信号伝送に影響を与えないため
に同様に或る種の領域では防止しなければならない。他
方では導線による環境電磁界の干渉をも防止しなければ
ならない。この種の場合に情報を光信号の形でガラスフ
ァイバケーブルを介して伝送することが知られている。 エネルギー供給のための従来の方式は欠点を有する。例
えば電池はその限られた寿命のゆえに比較的しばしば交
換しなければならない。絶縁軸を備える電動発電機装置
又は圧縮空気駆動タービンの使用は大きい機械的な故障
発生率及び可動部品での摩耗発生という欠点をもたらす
。これに反して測定回路からのエネルギー取り出し及び
変圧器によるエネルギー結合は、発生する高エネルギー
電磁波による環境電磁界の著しい干渉を招く。

【０００３】ガラスファイバ束中を導かれる光波による
エネルギー伝送は、その低い効率のゆえに限られた数の
用途に対してのみ有利であるにすぎない。電気エネルギ
ーを光エネルギーへ変換する際の是認できる効率を達成
するためには、高価なレーザ装置を送信器として用いな
ければならない。

【０００４】線材中での超音波の伝送はドイツ連邦共和
国特許出願公開第２８４７８７１　号公報から知られて
いる。ドイツ連邦共和国特許出願公告第２０１５６９８
　号公報には、ガラス棒中での並びにガラスファイバ及
びプラスチックファイバ中での超音波伝送が記載されて
いる。しかしながらここでは超音波伝送だけが単独に考
察されているにすぎない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、敏
感領域内の遠隔測定個所での測定を環境との電磁相互作
用無しにかつ前記欠点を防止しながら可能にするような
、前記の種類の装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、非電気的かつ非光学的エネルギー波を例えばセン
サの駆動のために電気エネルギーへ変換する少なくとも
一つの変換器が測定個所に設けられていることにより解
決される。

【０００７】

【作用効果】変換器が超音波変換器として構成されるな
らば、このことはエネルギーを超音波変換器に弾性波の
形で供給できるということを意味する。この音響エネル
ギーは伝音性媒体により超音波変換器へ導くことができ
る。光導波路がガラスファイバ束として構成されるなら
ば、ガラスファイバ束の可撓性に基づき場合により起こ
る必要性に応じて湾曲した伝送経路を設けることも可能
である。しかしながらまっすぐな伝送経路に対しては光
導波路がガラス棒として構成されるのが特に簡単かつ有
利である。機械エネルギーを弾性波の形で光導波路へ入
力できる別の超音波変換器が受信個所に設けられ、弾性
波を光導波路で測定個所の超音波変換器に伝送できるな
らば、それにより音響・光学的単一導体を備えた測定装
置が与えられる。ただ一つの光導波路の使用は特に簡単
かつ経済的である。同時にこの単一導体による伝送方式
の場合には機械エネルギーの伝送と光測定信号の伝送と
の間の明確な分離も達成される。更に音響・光学的方式
（エネルギー伝送・情報伝送）は純粋な光学・光学的単
一導体方式及び音響・音響的単一導体方式に比べて下記
の長所を有する。すなわち光学・光学的単一導体方式の
場合にエネルギー伝送のために必要であるような電気エ
ネルギーを光エネルギーへ変換するための送信器として
の高価なレーザ装置を、この音響・光学的単一導体装置
の場合には省略できる。光学・光学的及び音響・音響的
単一導体装置の場合に通常行われるような逆向きの信号
伝送のためのエネルギー伝送の短時間の中断も、音響・
光学的単一導体装置の場合には不必要である。音響・音
響的単一導体ならばエネルギー伝送のこの休止期間はか
なりの長さとしなければならない。なぜならば弾性波の
粒子偏位はミリ秒領域の期間の後に初めて減衰するから
である。この比較的大きい期間にわたりセンサの供給エ
ネルギーを蓄勢要素により蓄えなければならない。従っ
て音響・光学的単一導体中の機械エネルギー及び光信号
の同時伝送が特に有利であるとみなされる。しかしなが
らそれに比べて少なくとも一つの別の非電気的導体が設
けられ、この導体を介して機械エネルギーが第１の超音
波変換器に供給されるという実施態様も考えられる。こ
の解決策は有利であると判明している。なぜならば別の
導体は、機械エネルギーの伝送及びその端部での機械エ
ネルギーの入出力を考慮して、特別に形成することがで
きるからである。こうして比較的大きい機械エネルギー
を僅かな費用で第１の超音波変換器に導くことが可能で
ある。別の導体が光導波路として構成されるならば、こ
の光導波路を介して弾性波の形のエネルギーを伝送でき
るばかりでなく同時に光信号を伝送できる。

【０００８】

【実施例】次にこの発明に基づく測定装置の複数の実施
例を示す図面により、この発明を詳細に説明する。

【０００９】図１は、同時にエネルギー及び情報信号の
伝送のために用いられる光導波路としてガラス棒１を備
える単一導体装置を示す。その際円板形圧電セラミック
６、７の形の二つの超音波変換器がガラス棒１の両端部
上に押しはめられ、圧電セラミック円板の内径はガラス
棒１の外径に等しく、両者の間には場合によっては補助
的に接着剤を用いながら密な結合が形成される。受信個
所２の圧電セラミック７は交流電圧の印加により励振さ
れる。その結果として連続する弾性波がガラス棒１中に
発生させられ、この弾性波がガラス棒１の他方の端部へ
伝わりそこで測定個所５の圧電セラミックにより受け取
られる。ガラス棒１の測定個所５に置かれた端部には端
面に発光ダイオード４が取り付けられている。発光ダイ
オード４と圧電セラミック６との間には電気的センサ３
が接続されている。ガラス棒１の受信個所２に置かれた
端部には、受信モジュール９と結合された受信ダイオー
ド８が端面に設けられている。圧電セラック７の励振の
ためのエネルギー源１０としてここには交流電源１０が
設けられている。交流電源１０は圧電セラミック７を励
振し、圧電セラミック７はその結果として機械エネルギ
ーを弾性波の形で半径方向へガラス棒１に入力する。弾
性波の形でガラス棒１中を伝送されるこのエネルギーは
測定個所５で圧電セラミック６により受け取られ、圧電
セラミック６はこのエネルギーを電気的センサ３へ供給
するために電気エネルギーへ変換する。電気的センサ３
は例えば物理量を測定し、測定値に相応する電気的測定
信号を発光ダイオード４へ送り、発光ダイオード４が光
パルスをガラス棒１中へ入力する。この光はガラス棒１
内部を導かれ、受信個所２で受信ダイオード８により再
び電気信号へ変換できる。評価モジュール９は、例えば
物理量の測定値を表示するか又は次に続くプロセスの制
御のために用いるという形でこの電気信号を処理する。 この種の単一導体装置に対しては、中央に孔を備えガラ
ス棒の両端部上に押しはめられた例えば２００ｋＨｚの
圧電セラミック６、７を用いることができる。例えば２
ｍの長さと２ｍｍのファイバ束直径のガラスファイバケ
ーブルの使用も可能であり、その際ガラスファイバケー
ブル１の端部は端末スリーブを備え、端末スリーブ上に
両圧電セラミック６、７が接着される。送信ダイオード
４及び受信ダイオード８として赤外線ダイオードを用い
ることができる。この種の構成により良好な効率で、１
００ｍＷを超えるエネルギーを音響的方法により電気的
センサ３へ向かって伝送できる。

【００１０】図２は伝送線路の同一の両端部のうちの一
つだけを示し、その際ここでは図１の実施例とは異なっ
て圧電セラミック７が直接にではなく整合部品１２を介
して光導波路１に結合されている。それにより圧電セラ
ミック７の機械エネルギーの光導波路１への一層良好な
入力が達成される。光導波路としてここでは可撓性のガ
ラスファイバケーブル１が示され、このガラスファイバ
ケーブルはガラスファイバ束１３、端末スリーブ１５及
び引張り圧縮に耐える外被１４を備える。圧電セラミッ
ク７にはガラスファイバ束１３の直径に相応する孔が設
けられ、この孔を通してダイオード６、８が光パルスを
送信又は受信する。

【００１１】図３には、伝送線路の二つの同一の端部の
うちの一つでの結合の別の可能性が示されている。伝送
線路としてここでは外被１４を備えるガラスファイバ束
１３が用いられ、外被は端部に端末スリーブ１５を支持
する。端面にはガラスファイバ束１３の端部に二つの反
射部品１６、１７が取り付けられ、これらの反射部品は
他方の面上に整合部品１２を備える。圧電セラミック７
は大きい面で整合部品１２に結合されている。交流電源
１０により励振される圧電セラミック７は、その機械振
動エネルギーを弾性波の形でまず整合部品１２上に、そ
して整合部品から反射部品１６、１７上へ伝送する。弾
性波は反射部品１６、１７を少ない損失で通り抜ける。 光線１８はここでは９０°の角度を成して受信ダイオー
ド８の方向へ反射される。しかしながら同じ方法により
、他方の側で光を送信ダイオード４から９０°の角度を
成してガラスファイバケーブルへ入力することも可能で
ある。この装置は、圧電セラミック７のほぼすべての振
動エネルギーがエネルギー伝送のために光導波路へ入力
されるという長所を有する。図４には、エネルギー及び
信号伝送のための剛性のガラス棒１を備える単一導体装
置が示されている。図１に示す実施例とは異なって、こ
こでは音響結合が半径方向ではなく端面へ相応に形成さ
れた整合部品１２を介して行われる。送信ダイオード４
から送られた光をガラス棒１へ入力できるように、また
ガラス棒の他方の側では光を受信ダイオード８により受
信できるように、整合部品１２上に取り付けられた圧電
セラミック６、７ばかりでなく整合部品１２自体も小さ
い直径の孔を備える。そのほかは単一導体の構造が図１
に示す既に説明した実施例に等しい。

【００１２】図５の実施例は、機械振動エネルギー及び
光パルスの別の可能な結合方法を示す。この解決策は専
らガラスファイバケーブルの場合に適用可能である。伝
送線路との音響的及び光学的結合はここでは特別の方法
で分離されている。音響結合は圧電セラミック７により
整合部品１２を介してガラスファイバ束１３の端面で行
われる。これに反して光学的結合のために副ファイバ束
１９が受信ダイオード８のための光導波路として用いら
れる。ここでは受信個所２での伝送線路の端部だけが示
されているが、送信ダイオードによる光パルスの入力を
ガラスファイバ束１３の他方の端部で同様な方法により
行うことができる。ガラスファイバ束はここでも引張り
圧縮に耐える外被１４中を導かれている。ガラスファイ
バ束の引きほぐし、すなわちガラスファイバ束からの副
ファイバ束１９の分離は端末スリーブ１５の中で初めて
行われる。この実施例は大きい長所として極めて良好な
音響結合を提供する。特にこのためには指向性のガラス
ファイバ束の使用が必要である。

【００１３】図５に示す実施例を除いて、これまでに説
明した伝送線路はガラス棒又はガラスファイバ束として
実現することができる。

【００１４】図６は、光信号伝送のための光導波路１の
ほかにエネルギー供給のために分離された経路を利用す
る遠隔測定のための測定装置を示す。測定個所５には同
様に電気的センサ３が設けられ、このセンサは測定値例
えば物理量を電気信号の形で送信ダイオード４に伝え、
送信ダイオードはその結果として相応の光パルスを光導
波路１へ入力する。受信個所２では受信ダイオード８が
光信号を受け取り、これを受信モジュール９中での次の
処理のために電気信号へ変換する。電気的センサの給電
のためにここでは超音波変換器として構成することがで
きる圧電セラミック６が設けられている。この変換器は
音響エネルギーから電気エネルギーへの変換のために用
いられる。エネルギー源１０からは音響エネルギーが別
の強固な導体１１を経て圧電セラミック６へ伝送される
。この導体は光導波路１１として前記の方法で、機械エ
ネルギー及び同時に光エネルギーの伝送のために用いる
こともできる。

【００１５】測定装置の前記の実施例はすべて遠隔測定
個所での測定の可能性を提供し、その際測定個所自体又
は伝送経路が敏感領域中に置かれる。これらの可能な構
成のうちの一つの選択は、存在する環境条件及び是認で
きる出費に基づき行われるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に基づく測定装置の一実施例の側面図
である。

【図２】測定装置の異なる実施例の受信側端部の断面図
である。

【図３】測定装置の異なる実施例の受信側端部の断面図
である。

【図４】測定装置の異なる実施例の断面図である。

【図５】測定装置の異なる実施例の受信側端部の断面図
である。

【図６】測定装置の異なる実施例の側面図である。

【符号の説明】

１　　光導波路 ２　　受信個所 ３　　電気的センサ ４　　送信ダイオード ５　　測定個所 ６、７　　圧電セラミック（超音波変換器）１１　　非
電気的導体

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定個所（５）から受信個所（２）へ
   光測定信号を伝送する光導波路（１）と、光導波路（１
   ）の測定個所（５）に電気的センサ（３）及び送信ダイ
   オード（４）とを備え、その際センサ（３）が特に送信
   ダイオード（４）での測定に関係する電気信号の発信の
   ために用いられ、それに基づいて送信ダイオードにより
   相応の光測定信号が光導波路（１）へ入力される遠隔測
   定個所（５）での測定値の検出装置において、非電気的
   かつ非光学的エネルギー波を電気エネルギーへ変換する
   少なくとも一つの変換器（６）が測定個所（５）に設け
   られていることを特徴とする非電気的な信号及びエネル
   ギーの伝送による測定装置。
2. 【請求項２】　　変換器が第１の超音波変換器（６）と
   して構成されていることを特徴とする請求項１記載の装
   置。
3. 【請求項３】　　光導波路がガラスファイバ束（１）と
   して構成されていることを特徴とする請求項１又は２記
   載の装置。
4. 【請求項４】　　光導波路がガラス棒（１）として構成
   されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置
   。
5. 【請求項５】　　受信個所（２）に別の超音波変換器（
   ７）が設けられ、この超音波変換器により弾性波の形の
   機械エネルギーが光導波路（１）へ入力され、その際弾
   性波が光導波路（１）中を測定個所（２）の超音波変換
   器（６）へ伝送されることを特徴とする請求項３又は４
   記載の装置。
6. 【請求項６】　　少なくとも一つの別の非電気的導体（
   １１）が設けられ、この導体を介して機械エネルギーが
   第１の超音波変換器（６）へ供給されることを特徴とす
   る請求項３又は４記載の装置。
7. 【請求項７】　　別の導体が光導波路（１１）として構
   成されることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】　　機械エネルギーが弾性波の形で伝送さ
   れ、この弾性波は光導波路（１、１１）の直径より大き
   い波長を有することを特徴とする請求項１ないし７の一
   つに記載の装置。