DE3341845A1 - Optical pressure-measuring device - Google Patents
Optical pressure-measuring deviceInfo
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Abstract
Description
v v r I v n Q v v r I v n Q
Optische Druckmeßvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Druckmeßvorrichtung, bestehend aus einem Polarisator, der von einer Lichtquelle abgestrahltes Licht linear polarisiert, aus einer Verzögerungsplatte, die das linear polarisierte Licht elliptisch polarisiert, aus einem lichtdurchlässigen Körper, der den Polarisationszustand des elliptisch polarisierten Lichtes in Abhängigkeit eines auf den Körper einwirkenden Druckes ändert, aus mindestens einem Analysator, der aus dem vom Körper abgestrahlten Licht mit druckabhängigem Polarisationszustand linear polarisiertes Licht ausfiltert, und aus mindestens einem Lichtdetektor, der die Stärke des vom Analysator ausgefilterten Lichtes mißt.Optical Pressure Measuring Apparatus The invention relates to an optical one Pressure measuring device consisting of a polarizer driven by a light source emitted light polarized linearly, from a retardation plate, which is linear polarized light elliptically polarized, from a translucent body, which depends on the polarization state of the elliptically polarized light a pressure acting on the body changes, from at least one analyzer, that from the light emitted by the body with a pressure-dependent polarization state linearly polarized light filters out, and from at least one light detector that measures the strength of the light filtered out by the analyzer.
Aus der DE-OS 31 38 061 ist eine optische Druckmeßvorrichtung mit einem blockförmigen Sensor aus lichtdurchlässigem Material bekannt, auf den ein zu messender Druck einwirkt. Dadurch treten im Sensor innere Spannungen auf, wodurch das den Sensor durchstrahlende, zirkular polarisierte Licht elliptisch polarisiert wird. Ein Glan-Thompson-Prisma filtert aus dem elliptisch polarisierten Licht zwei in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen linear polarisierte Lichtanteile aus. Die Stärke dieser Lichtanteile ändert sich mit dem auf den Sensor einwirkenden Druck und wird von je einem Fotodetektor gemessen.From DE-OS 31 38 061 an optical pressure measuring device is with a block-shaped sensor made of translucent material known to the one pressure to be measured acts. As a result, internal stresses occur in the sensor, as a result of which the circularly polarized light shining through the sensor is elliptically polarized will. A Glan-Thompson prism filters two of the elliptically polarized light light components linearly polarized in two mutually perpendicular planes the end. The strength of these light components changes with the effect on the sensor Pressure and is measured by a photo detector.
Aus der Stärke der beiden Lichtanteile läßt sich der auf den Sensor einwirkende Druck bestimmen.From the strength of the two light components, the sensor can be determined determine the acting pressure.
Damit in dem blockförmigen Sensor genügend große innere Spannungen auftreten, um den Polarisationszustand des Lichtes meßbar zu ändern, muß ein relativ großer Druck auf den Sensor einwirken. Die bekannte optische Druckmeßvorrichtung ist somit unempfindlich gegenüber kleinen Drücken.This means that there are sufficiently large internal stresses in the block-shaped sensor occur in order to measurably change the polarization state of light, a relative must apply great pressure to the sensor. The known optical pressure measuring device is therefore insensitive to small pressures.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit von optischen Druckmeßvorrichtungen so zu erhöhen, daß damit auch kleine Drücke meßbar sind.The object of the present invention is to reduce the sensitivity of to increase optical pressure measuring devices so that small pressures can also be measured are.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper plattenförmig ausgebildet und am Rand derart gehaltert ist, daß er bei Einwirkung eines Druckes auf eine der Körperhauptseiten membranartig auslenkt, und daß das Licht von einem optischen System derart umgelenkt wird, daß es den Körper parallel zu und lediglich nahe den beiden Körperhauptseiten durchstrahlt.According to the invention, this object is achieved in that the body is plate-shaped and is supported at the edge in such a way that it is exposed to action of a pressure on one of the main sides of the body deflects like a membrane, and that the Light is deflected by an optical system in such a way that it is parallel to the body irradiated to and only near the two main body sides.
Durch Veränderung der Dicke des plattenförmigen Körpers läßt sich auf einfache Weise die Empfindlichkeit der Druckmeßvorrichtung einstellen. Da bei einer druckbedingten membranartigen Auslenkung des lichtdurchlässigen, plattenförmigen Körpers auf derjenigen Körperhauptseite, auf die der zu erfassende Druck einwirkt, Druckspannungen und auf der gegenüberliegenden Körperhauptseite Zugspannungen auftreten, und da Druck- und Zugspannungen den Polarisationszustand des durch diesen Körper strahlenden polarisierten Lichtes gegensinnig verändern, lassen sich durch geeignete Analyse der Polarisationszustände der beiden nahe den Körperhauptseiten den Körper durchstrahlenden Lichtanteile nicht nur Größe und Richtung des auf den Körper einwirkenden Druckes, sondern auch die Differenz zwischen zwei auf die beiden Körperhauptseiten einwirkenden Drücke bestimmen.By changing the thickness of the plate-shaped body can adjust the sensitivity of the pressure measuring device in a simple manner. Included a pressure-related membrane-like deflection of the translucent, plate-shaped Body on the main side of the body on which the pressure to be measured acts, Compressive stresses and tensile stresses occur on the opposite main side of the body, and because compressive and tensile stresses determine the state of polarization of the body Radiant polarized light can be changed in opposite directions by suitable Analysis of the polarization states of the two near the main body sides of the body The amount of light shining through does not just mean the size and direction of what is acting on the body Pressure, but also the difference between two on the two main sides of the body determine the acting pressures.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß das optische System zwischen der Lichtquelle und dem Körper angeordnet ist und das Licht in zwei Strahlen aufteilt, die den Körper nahe den beiden Körperhauptseiten durchlaufen und jeweils über mindestens einen Analysator von mindestens einem Lichtdetektor zur Ermittlung des auf den Körper einwirkenden Druckes erfaßt werden. Das als Strahlteiler ausgebildete optische System lenkt das Licht auf einfache Weise derart um, daß es den Körper mit Sicherheit nur nahe den beiden Körperhauptseiten durchstrahlt.An advantageous embodiment of the invention results from that the optical system is arranged between the light source and the body and splits the light into two beams that hit the body near the two main sides of the body run through and each via at least one analyzer of at least one light detector to determine the pressure acting on the body. That as a beam splitter trained optical system deflects the light in a simple manner in such a way that it radiates through the body with certainty only near the two main body sides.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische System als Umlenkprisma auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Körpers angeordnet ist und das von der Lichtquelle nahe einer der Körperhauptseiten durch den Körper gestrahlte Licht über einen 900-Rotator leitet und derart in den Körper zurückprojiziert, daß es durch den Körper nahe der anderen Körperhauptseite zurückstrahlt. Durch die Verwendung eines Umlenkprismas lassen sich die Lichtquelle und der Lichtdetektor auf derselben Seite des Körpers anordnen, so daß die Druckmeßvorrichtung eine kompakte Form mit geringen äußeren Abmessungen annimmt.Another embodiment of the invention is characterized in that that the optical system as a deflecting prism on the side facing away from the light source of the body is arranged and that of the light source near one of the main body sides light emitted by the body passes through a 900 rotator and so into the Body projected back through the body near the other main side of the body reflects back. By using a deflecting prism, the light source and place the light detector on the same side of the body so that the pressure measuring device takes a compact form with small external dimensions.
Vorteilhaft ist es, wenn auf der der Lichtquelle zugewandten Seite des Körpers ein Spiegel angeordnet ist, der das durch den Körper zurückstrahlende Licht derart in den Körper zurückreflektiert, daß es den bereits durchlaufenen Weg durch den Körper und das optische System in entgegengesetzter Richtung erneut durchläuft, und wenn das aus dem Körper austretende Licht von einem optischen Zirkulator auf mindestens einen Lichtdetektor gelenkt wird, da hierbei der Lichtstrahl den gesamten Körper viermal durchläuft und somit bei der Einwirkung eines Druckes auf eine Körperhauptseite der Polarisationszustand des Lichtes viermal gleichsinnig verändert wird. Eine solche Druckmeßvorrichtung reagiert deshalb sehr empfindlich auf kleine Drücke.It is advantageous if on the side facing the light source the body a mirror is arranged, which reflects back through the body Light is reflected back into the body in such a way that it takes the path it has already traveled runs through the body and the optical system again in the opposite direction, and when the light emerging from the body is from an optical circulator at least one light detector is directed, since here the light beam covers the entire Body passes four times and thus when a pressure is applied one Main body side the polarization state of the light changed four times in the same direction will. Such a pressure measuring device is therefore very sensitive to small ones Press.
Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine optische Druckmeßvorrichtung, bei der das optische System zwischen dem Körper und der Lichtquelle angeordnet ist, Fig. 2 eine zur Durchflußmessung verwendete optische Druckmeßvorrichtung mit einem Umlenkspiegel auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des lichtdurchlässigen Körpers, Fig. 3 eine weitere Ausgestaltunq einer optischen Druckmeßvorrichtunq zur Messung eines mechanischen Druckes mit einem Spiegel auf der der Lichtquelle zugewandten Seite des Körpers.Some exemplary embodiments of the invention are illustrated with the aid of the drawings and how they work. They show: FIG. 1 an optical pressure measuring device, in which the optical system is arranged between the body and the light source, Fig. 2 shows an optical pressure measuring device used for flow measurement with a Deflecting mirror on the side of the translucent body facing away from the light source, 3 shows a further embodiment of an optical pressure measuring device for measurement a mechanical pressure with a mirror on the one facing the light source Side of the body.
In Fig. 1 koppelt eine beispielsweise als Laserdiode ausqebildete Lichtquelle 1 über eine Fokussierlinse 2 monochromatisches Licht in den Lichtleiter 3 ein. Dieses Licht wird von einer Kollimatorlinse 4 zu parallelem Licht umgewandelt und auf das als Strahlteiler ausgebildete optische System 5 und 6 projiziert, das z.B. aus einem halbdurchlässigen Spiegel 5 und einem undurchlässigen Spiegel 6 besteht. Ein Teil des Lichtes strahlt über den halbdurchlässigen Spiegel 5 durch den Polarisator 7, und der andere Teil des Lichtes wird von dem Spiegel 5 auf den Spiegel 6 gelenkt, der das Licht dann ebenfalls durch den Polarisator 7 projiziert. Der Polarisator 7 polarisiert diese beiden Lichtanteile linear. Das linear polarisierte Licht wird mittels einer Verzöqerungsplatte 8 elliptisch polarisiert.In FIG. 1, a coupling embodied as a laser diode, for example, is coupled Light source 1 through a focusing lens 2 monochromatic light into the light guide 3 a. This light is converted into parallel light by a collimator lens 4 and projected onto the optical system 5 and 6, which is designed as a beam splitter e.g. consists of a semi-transparent mirror 5 and an opaque mirror 6. Part of the light radiates through the polarizer via the semitransparent mirror 5 7, and the other part of the light is directed from the mirror 5 onto the mirror 6, which then also projects the light through the polarizer 7. The polarizer 7 polarizes this both light components linear. The linearly polarized Light is elliptically polarized by means of a delay plate 8.
Die Verzöqerungsplatte 8 kann beispielsweise als eine parallel zur optischen Achse geschnittene, doppelbrechende Kristallplatte ausgebildet sein, deren Dicke so bemessen ist, daß der ordentliche und der außerordentliche Strahl einen Gangunterschied von 1/4 Wellenlänge X erhalten (/4-Platte). Diese Platte ist so ausgerichtet, daß die Polarisationsebene des ordentlichen Strahles im Kristall mit der Polarisationsrichtung des Polarisators 7 einen Winkel von 450 einschließt. Diese Verzögerungsplatte 8 erzeugt aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht.The delay plate 8 can, for example, as a parallel to the optical axis cut, birefringent crystal plate be formed whose Thickness is so dimensioned that the ordinary and the extraordinary ray one Path difference of 1/4 wavelength X obtained (/ 4 plate). This record is like that aligned that the plane of polarization of the ordinary ray in the crystal with the polarization direction of the polarizer 7 encloses an angle of 450. These Retardation plate 8 generates circularly polarized light from linearly polarized light Light.
Die beiden zirkular polarisierten Lichtanteile durchstrahlen den plattenförmigen, lichtdurchlässigen Körper 9 parallel zu und nahe den beiden Körperhauptseiten 10 und 11. Der Körper 9 besteht aus nicht-fließfähigem, lichtdurchlässigem Material, wie z. B. Quarzglas oder Glaskeramik (Zerodur). Die Abmessungen des Körpers 9 sind abhängig von der geforderten Empfindlichkeit der Differenzdruckmeßvorrichtung. Der Körper kann beispielsweise 6 cm lang, 6 cm breit und 1 cm dick. Der Körper kann auch als runde Scheibe mit einem Durchmesser von beispielsweise 6 cm und einer Dicke von 1 cm ausgebildet sein. Wird eine größere Empfindlichkeit gefordert, kann der Körper auch eine geringere Dicke aufweisen.The two circularly polarized light components shine through the plate-shaped, translucent body 9 parallel to and close to the two main body sides 10 and 11. The body 9 consists of non-flowable, translucent material, such as B. quartz glass or glass ceramic (Zerodur). The dimensions of the body 9 are depending on the required sensitivity of the differential pressure measuring device. Of the For example, body can be 6 inches long, 6 inches wide, and 1 inch thick. The body can also as a round disc with a diameter of, for example, 6 cm and a thickness of 1 cm. If greater sensitivity is required, the Body also have a smaller thickness.
Der Körper halbiert den von einer Druckmeßdose 12 gebildeten Raum, dessen beide Raumhälften je eine Einlaßöffnung 13 und 14 aufweisen, durch die ein unter Druck stehendes gasförmiges oder flüssiqes Medium in die Druckmeßdose 12 einfließt und den Körper 9 in einer senkrecht zu den Kör-Perhauptseiten 10 und 11 liegenden Richtung membranartig auslenkt.The body halves the space formed by a pressure cell 12, the two halves of the space each have an inlet opening 13 and 14 through which a pressurized gaseous or liquid medium flows into the pressure cell 12 and the body 9 in a perpendicular to the body main sides 10 and 11 Direction deflects like a membrane.
Durch einen halbdurchlässigen Spiegel 15 wird ein Teil der beiden vom Körper 9 abgestrahlten Lichtanteile über einen Analysator 16 und je eine Fokussierlinse 17 und 18 in die Lichtleiter 19 und 20 eingekoppelt. Der andere Teil der beiden Lichtanteile wird von dem halbdurchlässiqen Spiegel 15 reflektiert und über den Analysator 21 und die beiden Fokussierlinsen 22 und 23 in die Lichtleiter 24 und 25 eingekoppelt.A semi-transparent mirror 15 becomes part of the two Light components emitted by the body 9 via an analyzer 16 and one focusing lens each 17 and 18 coupled into the light guides 19 and 20. The other part of the two Light components are reflected by the semitransparent mirror 15 and via the Analyzer 21 and the two focusing lenses 22 and 23 in the light guides 24 and 25 coupled.
Die Analysatoren 16 und 21 sind Polarisatoren, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen und die aus dem vom Körper 9 abgestrahlten Licht linear polarisiertes Licht ausfiltern.The analyzers 16 and 21 are polarizers, their polarization directions are perpendicular to each other and linear from the light emitted by the body 9 filter out polarized light.
Dieses Licht wird über die Lichtleiter 19, 20, 24 und 25 auf die z.B. als Fotodioden ausqebildeten Lichtdetektoren 26 bis 29 projiziert. Detektorschaltungen 30 bis 33 erzeugen aus dem von den Fotodioden gelieferten Fotostrom Signale mit den der Stärke der über die Lichtleiter 19, 20, 24 und 25 übertraqenen Lichtströme entsprechenden Werten L19, L20, L24 und L25.This light is transmitted via the light guides 19, 20, 24 and 25 to the e.g. light detectors 26 to 29 formed as photodiodes are projected. Detector circuits 30 to 33 generate signals from the photocurrent supplied by the photodiodes that of the strength of the light fluxes transmitted via the light guides 19, 20, 24 and 25 corresponding values L19, L20, L24 and L25.
In einer beispielsweise als Mikroprozessor ausqebildeten Auswerteschaltung 34 werden diese Signale nach der Auswerteformel P =arcsin ((L19 - L25)/(L19 + L25)) -arcsin((L20 -L24)/(L20 + L24)) miteinander verknüpft, so daß am Anschluß 35 eine Spannung mit einem dem auf dem Körper 9 einwirkenden Druck P entsprechenden Wert anliegt.In an evaluation circuit designed, for example, as a microprocessor 34 these signals are calculated according to the evaluation formula P = arcsin ((L19 - L25) / (L19 + L25)) -arcsin ((L20 -L24) / (L20 + L24)) linked together so that a Stress with a value corresponding to the pressure P acting on the body 9 is present.
Die aus dem Polarisator 7, der Verzögerunqsplatte 8, der Druckmeßdose 12, den Analysatoren 16 und 21, den Spiegeln 15, 5 und 6 und den Linsen 4, 17, 18, 22 und 23 bestehende Anordnunq kann beispielsweise auf einer optischen Bank angeordnet sein.The one from the polarizer 7, the retardation plate 8, the pressure transducer 12, the analyzers 16 and 21, the mirrors 15, 5 and 6 and the lenses 4, 17, 18, 22 and 23 existing arrangement can for example on an optical bench arranged be.
Drückt eine Flüssigkeit durch die Einlaßöffnung 13 auf die Körperhauptseite 10 des Körpers 9, lenkt dieser in Richtung der Einlaßöffnung 14 membranartig aus. Dadurch treten im Körper 9 nahe der Körperhauptseite 10 Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 11 Zugspannungen auf. Der Polarisationszustand des nahe der Körperhauptseite 10 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes wird somit gegensinnig zu dem Polarisationszustand des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes verändert. Die beiden zirkular polarisierten Lichtanteile werden durch die Spannungen im Körper 9 elliptisch derart umpolarisiert, daß die großen Achsen der Polarisationsellipsen der beiden elliptisch polarisierten Lichtanteile senkrecht aufeinander stehen und einen Winkel von 450 mit den Körperhauptseiten 10 und 11 bilden.Presses a liquid through the inlet port 13 onto the main body side 10 of the body 9, this deflects in the direction of the inlet opening 14 like a membrane. As a result, compressive stresses occur in the body 9 near the main body side 10 and near the main body side 11 tensile stresses. The polarization state of the near the The main body side 10 of the light radiating through the body 9 is thus in opposite directions to the polarization state of the body 9 radiating through near the main body side 11 Changed light. The two circularly polarized light components are through the Tensions in the body 9 elliptically repolarized so that the major axes of the Polarization ellipses of the two elliptically polarized light components perpendicular stand on top of each other and make an angle of 450 with the main body sides 10 and 11 form.
Durch den Analysator 16 wird aus den beiden Lichtanteilen jeweils Licht mit einer Stärke ausgefiltert, die der Größe der in einer Richtung liegenden Achse durch die entsprechenden Polarisationsellipsen entspricht, während durch den Analysator 21 aus den beiden Lichtanteilen jeweils Licht mit einer Stärke ausgefiltert wird, die der Größe einer zur Polarisationsrichtung des Analysators 16 senkrecht liegenden Achse durch die beiden Polarisationsellipsen entspricht.The analyzer 16 turns the two light components into each Light is filtered out with an intensity equal to the size of one lying in one direction Axis through the corresponding polarization ellipses, while through the Analyzer 21 filtered out each light with a strength from the two light components which is the size of a to the polarization direction of the analyzer 16 perpendicular lying axis through the two polarization ellipses.
Beispielsweise liegt die Polarisationsrichtung des Analysators 16 parallel zur großen Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 10 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes, und die Polarisationsrichtung des Analysators 21 liegt parallel zur großen Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes. Somit nimmt die Stärke des in die Lichtleiter 19 und 24 eingekoppelten und die Stärke des in die Lichtleiter 20 und 25 eingekoppelten Lichtes nimmt ab.For example, the polarization direction of the analyzer 16 is parallel to the major axis of the polarization ellipse of the light radiating through the body 9 near the main body side 10, and the polarization direction of the analyzer 21 is parallel to the major axis of the polarization ellipse of the light radiating through the body 9 near the main body side 11. Thus, the strength of the coupled into the light guides 19 and 24 increases and the strength of the light coupled into the light guides 20 and 25 decreases.
In den Detektor schaltungen 30 bis 33 werden Signale mit den diesen Lichtstärken entsprechenden Werten L19, L20, L24 und L25 gebildet. Der Wert der in der Auswerteschaltunq 34 gebildeten, dem auf den Körper 9 einwirkenden Druck entsprechenden und am Anschluß 35 anliegenden Spannung hat ein positives Vorzeichen, wenn der Druck auf die Körperhauptseite 10 einwirkt und der Körper in Richtung der Einlaßöffnung 14 auslenkt. Dies ergibt sich aus der Auswerteformel für den Druck P.In the detector circuits 30 to 33 are signals with these Luminous intensities corresponding values L19, L20, L24 and L25 are formed. The value of formed in the evaluation circuit 34, the pressure acting on the body 9 corresponding voltage applied to terminal 35 has a positive sign, when the pressure acts on the main body side 10 and the body in the direction of Inlet opening 14 deflects. This results from the evaluation formula for the pressure P.
Wird ein unter Druck stehendes gasförmiges oder flüssiges Medium durch die Einlaßöffnung 14 in die Druckmeßdose 12 eingeleitet, lenkt der Körper 9 in Richtung der Einlaßöffnung 13 membranartig aus. Nahe der Körperhauptseite 11 treten Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 10 treten Zugspannung auf, so daß die große Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 10 bzw. 11 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes senkrecht auf der Polarisationsrichtung des Analysators 16 bzw. 21 steht.Is a pressurized gaseous or liquid medium through the inlet opening 14 is introduced into the pressure cell 12, the body 9 steers in the direction the inlet opening 13 from a membrane. Compressive stresses occur near the main body side 11 and tensile stress occurs near the main body side 10 so that the major axis the polarization ellipse of the body 9 radiating through near the main body side 10 or 11 Light is perpendicular to the polarization direction of the analyzer 16 or 21.
Somit nimmt bei steigendem Druck die Stärke des in die Lichtleiter 19 und 24 eingekoppelten Lichtes ab und die Stärke des in die Lichtleiter 20 und 25 eingekoppelten Lichtes nimmt zu. Die Werte L19 und L24 der entsprechenden Signale nehmen ab, und die Werte L20 und L25 der entsprechenden Signale nehmen zu, so daß der mit der Auswerteformel ermittelte Druckmeßwert P ein negatives Vorzeichen annimmt. Somit ist die Richtung des auf den Körper 9 einwirkenden Druckes über das Vorzeichen des ermittelten Differenzdruckmeßwertes P bestimmbar.Thus, with increasing pressure, the strength of the in the light guide increases 19 and 24 coupled light and the strength of the light guides 20 and 25 coupled light increases. The values L19 and L24 of the corresponding signals decrease, and the values L20 and L25 of the respective signals increase so that the measured pressure value P determined with the evaluation formula assumes a negative sign. Thus, the direction of the pressure acting on the body 9 is above the sign of the determined differential pressure measurement value P can be determined.
Die in Fig. 2 dargestellte Druckmeßvorrichtung läßt sich zur Durchflußmessung verwenden. Die Druckdifferenz der Flüssigkeit beiderseits der Blende 37 des Leitungsrohres 38 ist ein Maß für den Durchfluß der Flüssigkeit durch das Leitungsrohr 38. Strömt die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 36 durch die Blende 37, weist die über die Auslaßöffnung 39 des Leitungsrohres 38 und die Leitungsverbindung 40 durch die Einlaßöffnung 41 in die Druckmeßdose 42 einströmende Flüssigkeit einen höheren Druck auf als die über die Auslaßöffnung 43 und die Leitungsverbindung 44 durch die Einlaßöffnung 45 in die Druckmeßdose 42 einströmende Flüssigkeit, so daß der Körper 9 in Richtung des Pfeiles 46 membranartig auslenkt. Dadurch treten nahe der Körperhauptseite 10 Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 11 Zugspannungen auf.The pressure measuring device shown in Fig. 2 can be used for flow measurement use. The pressure difference of the liquid on both sides of the aperture 37 of the conduit pipe 38 is a measure of the flow of liquid through conduit 38. Flows the liquid in the direction of arrow 36 through the aperture 37, has the over the Outlet opening 39 of the conduit 38 and the conduit connection 40 through the inlet opening 41 in the pressure cell 42 flowing liquid to a higher pressure than the via the outlet opening 43 and the line connection 44 through the inlet opening 45 liquid flowing into the pressure cell 42, so that the body 9 in the direction of the arrow 46 deflects like a membrane. As a result, come close to the main body side 10 Compressive stresses and tensile stresses near the main body side 11.
Das von der Lichtquelle 1 über die Fokussierlinse 2 in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Licht wird von der Kollimatorlinse 4 zu parallelem Licht umgewandelt, das vom Polarisator 7 linear und von der Verzöqerungsplatte 8 zirkular polarisiert wird. Dieses Licht strahlt entlang der Körperhauptseite 10 und wird bei einer Auslenkung des Körpers 9 elliptisch polarisiert. Die große Achse der Polarisationsellipse bildet mit der Körperhauptseite 10 einen Winkel von 450.That from the light source 1 via the focusing lens 2 into the light guide 3 coupled light is converted to parallel light by the collimator lens 4, which is polarized linearly by the polarizer 7 and circularly polarized by the retardation plate 8 will. This light radiates along the main body side 10 and is deflected of the body 9 elliptically polarized. The major axis of the polarization ellipse forms with the main body side 10 an angle of 450.
Auf der der Lichtquelle 1 abgewandten Seite des Körpers 9 befindet sich ein Umlenkprisma 47, das aus einem ersten total reflektierenden Prisma 48 besteht, das das Licht durch einen optischen 900-Rotator 49 auf ein zweites total reflektierendes Prisma 50 projeziert. Der optische 90°-Rotator 49 kann beispielsweise als h /2-Verzöqerungsplatte ausgebildet sein, die bewirkt, daß sich der Gangunterschied zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl um t/2 vergrößert. Dadurch wird die Polarisationsellipse des Lichtes um 900 gedreht.Located on the side of the body 9 facing away from the light source 1 a deflecting prism 47, which consists of a first totally reflecting prism 48, that passes the light through an optical 900 rotator 49 onto a second totally reflective one Prism 50 projected. The optical 90 ° rotator 49 can, for example, be used as an h / 2 retardation plate be designed, which causes the path difference between the ordinary and the extraordinary ray increased by t / 2. This creates the polarization ellipse of the light rotated by 900.
Somit weist der vom zweiten total reflektierenden Prisma 50 nahe der Körperhauptseite 11 in den Körper 9 zurückreflektierte, elliptisch polarisierte Lichstrahl eine Polarisationsellipse auf, deren große Achse senkrecht auf der großen Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 10 den Körper 9 durchströmenden Lichtstrahles steht. Aufgrund der membranartigen Auslenkung des Körpers 9 wird der Polarisationszustand dieses Lichtes derart geändert, daß die große Achse der Polarisationsellipse größer und die kleine Achse kleiner wird.Thus points from the second totally reflective prism 50 near the Main body side 11 reflected back into the body 9, elliptically polarized Light beam creates a polarization ellipse, the major axis of which is perpendicular to the major one Axis of the polarization ellipse of the body 9 flowing through near the main body side 10 Light beam is. Due to the membrane-like deflection of the body 9, the The polarization state of this light changed so that the major axis of the polarization ellipse bigger and the minor axis gets smaller.
Strömt Flüssigkeit gegen die durch den Pfeil 36 angedeutete Richtung durch die Blende 37, lenkt auch die Platte 9 entgegen der durch den Pfeil 46 angedeuteten Richtung aus. Die Spannungsverhältnisse im Körper 9 kehren sich um, und die Richtungen der großen und der kleinen Achse der Polarisationsellipsen vertauschen sich.Liquid flows against the direction indicated by the arrow 36 through the diaphragm 37, the plate 9 also deflects counter to that indicated by the arrow 46 Direction off. The tension in the body 9 is reversed and the directions the major and minor axes of the polarization ellipses are interchanged.
Von einem halbdurchlässigen Spiegel 51 wird ein Teil des elliptisch polarisierten Lichtes über den Analysator 52 von der Fokussierlinse 53 in den Lichtleiter 54 eingekoppelt, während der andere Teil des Lichtes über den Analysator 55 von der Fokussierlinse 56 in den Lichtleiter 57 eingekoppelt wird.A part of the semi-transparent mirror 51 becomes elliptical polarized light through the analyzer 52 from the focusing lens 53 into the light guide 54 coupled in, while the other part of the light via the analyzer 55 of the focusing lens 56 is coupled into the light guide 57.
Die Analysatoren 52 und 55 sind Polarisationsfilter, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinanderstehen und die somit aus dem vom Körper 9 abgestrahlten, elliptisch polarisierten Licht linear polarisierte Lichtanteile ausfiltern, deren Stärke der Größe zweier senkrecht aufeinanderstehenden Achsen der Polarisationsellipse entspricht. Diese beiden Lichtanteile werden von den Lichtleitern 54 und 57 auf die beispielsweise als Fotodioden ausgebildeten Fotodetektoren 58 und 59 gelenkt.The analyzers 52 and 55 are polarization filters, their polarization directions stand perpendicular to each other and thus from the radiated from the body 9, elliptical polarized light filter out linearly polarized light components whose strength is the Corresponds to the size of two mutually perpendicular axes of the polarization ellipse. These two light components are from the light guides 54 and 57 to the example designed as photodiodes photodetectors 58 and 59 steered.
Bei einer Auslenkung des Körpers 9 in Richtung des Pfeiles 46 liegt die große Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes, beispielsweise parallel zur Polarisationsrichtung des Analysators 52, weshalb die Stärke des vom Analysator 52 ausgefilterten und über den Lichtleiter 54 auf den Lichtdetektor 59 gelenkten Lichtanteiles zunimmt und die Stärke des vom Analysator 55 ausgefilterten und über den Lichtleiter 57 auf den Lichtdetektor 58 gelenkten Lichtanteiles abnimmt. Aus der Differenz der von den Fotodetektoren 58 und 59 erfaßten Lichtstärken ermittelt die Auswerteschaltung 60 eine Spannung mit einem positiven, der Größe des Durchflusses durch das Leitungsrohr 38 entsprechenden Wert, die am Anschluß 61 anliegt. Das positive Vorzeichen sagt aus, daß die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 36 durch die Blende 37 strömt.When the body 9 is deflected in the direction of arrow 46 the major axis of the polarization ellipse of the body near the main body side 11 9 transmitted light, for example parallel to the direction of polarization of the Analyzer 52, which is why the strength of the filtered out by the analyzer 52 and over the light guide 54 directed to the light detector 59 increases and the strength of the filtered out by the analyzer 55 and via the light guide 57 on the light detector 58 directed light component decreases. From the difference between the light intensities detected by the photo detectors 58 and 59 are determined by the evaluation circuit 60 a voltage with a positive, the size of the flow through the conduit 38 corresponding value, which is applied to connection 61. The positive sign says from that the liquid flows through the diaphragm 37 in the direction of the arrow 36.
Lenkt aufgrund einer Umkehrung der Strömungsrichtung 36 der Körper 9 entgegen der Richtung des Pfeiles 46 aus, steht die große Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchströmenden elliptisch polarisierten Lichtes senkrecht auf der Polarisationsrichtung des Analysators 52, so daß die Stärke des vom Analysator 52 ausgefilterten und dem Lichtdetektor 59 zugeführten Lichtes abnimmt und die Stärke des vom Analysator 55 ausgefilterten und dem Lichtdetektor 58 zugeführten Lichtes zunimmt. Aus der Differenz der von den Fotodetektoren 59 und 58 erfaßten Lichtstärken ermittelt die Auswerteschaltung 60 eine Spannung mit einem negativen, der Größe des Durchflusses durch das Leitungsrohr 38 entsprechenden Wert. Das negative Vorzeichen sagt aus, daß die Flüssigkeit entgegen der Richtung des Pfeiles 36 durch die Blende 37 strömt.Due to a reversal of the direction of flow 36, the body steers 9 against the direction of arrow 46, the major axis of the polarization ellipse is of the elliptically polarized flowing through the body 9 near the main body side 11 Light perpendicular to the direction of polarization of the analyzer 52, so that the strength of the light filtered out by the analyzer 52 and fed to the light detector 59 decreases and the strength of the filtered out by the analyzer 55 and the light detector 58 supplied light increases. From the difference between the photodetectors 59 and 58 detected light intensities, the evaluation circuit 60 determines a voltage with a negative corresponding to the size of the flow through the conduit 38 Value. The negative sign means that the liquid is opposite to the direction of the arrow 36 flows through the diaphragm 37.
Bei der Druckmeßvorrichtung nach Fig. 3 wird das Licht der Lichtquelle 1 von der Fokussierlinse 62 in einen optischen Zirkulator 63 eingekoppelt, der dieses Licht über eine Linse 64, einen Polarisator 65, einen halbdurchlässigen Spiegel 66 und eine t/8-Verzögerungsplatte 67 auf den Körper 9 lenkt. Der optische Zirkulator 63 ist in der Patentanmeldung P 33 27 418 beschrieben. Das Licht durchstrahlt den Körper 9 nahe der Körperhauptseite 10, wird vom Umlenkprisma 47 derart umgelenkt, daß es nahe der Körperhauptseite 11 durch den Körper 9 zurückstrahlt und auf einen Spiegel 68 trifft, der das Licht wieder in den Körper 9 zurück reflektiert. Anschließend wird das Licht vom Umlenksprisma 47 nahe der Körperhauptseite 10 in den Körper 9 zurückgelenkt. Nachdem das Licht den Körper 9 zum vierten Male durchstrahlt hat, gelangt es über die 9t/8-Verzögerungsplatte 67 auf den halbdurchlässiqen Spiegel 66, der einen Teil des Lichtes über den Analysator 69, die Fokussierlinse 70 und den Lichtleiter 71 auf den Lichtdetektor 58 lenkt. Der restliche Teil des Lichtes durchstrahlt den halbdurchlässigen Spiegel 66 und gelangt über den Polarisator 65, die Linse 64, den optischen Zirkulator 63 und den Lichtleiter 72 auf den Lichtdetektor 59.Die Polarisationsrichtungen des Polarisators 65 und des Analysators 69 stehen senkrecht aufeinander.In the pressure measuring device of Fig. 3, the light is the light source 1 coupled from the focusing lens 62 into an optical circulator 63, which this Light through a lens 64, a polarizer 65, a semi-transparent mirror 66 and a t / 8 retardation plate 67 directs onto the body 9. The optical circulator 63 is described in patent application P 33 27 418. The light shines through the Body 9 near the main body side 10 is deflected by the deflecting prism 47 in such a way that that it reflects back near the main body side 11 through the body 9 and to a Mirror 68 hits, which reflects the light back into the body 9. Afterward the light from the deflecting prism 47 near the main body side 10 into the body 9 steered back. After the light has shone through the body 9 for the fourth time, it reaches the semitransparent mirror via the 9t / 8 retardation plate 67 66, the part of the light through the analyzer 69, the focusing lens 70 and directs the light guide 71 onto the light detector 58. The rest of the light shines through the semitransparent mirror 66 and passes through the polarizer 65, the lens 64, the optical circulator 63 and the light guide 72 onto the light detector 59.The polarization directions of the polarizer 65 and the analyzer 69 are perpendicular to each other.
Wirkt über einen Stempel 73 auf den Körper 9 ein mechanischer Druck, lenkt der Körper 9 in Richtung des Pfeiles 74 membranartig aus. Nahe der Körperhauptseite 10 treten Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 11 treten Zug spannungen auf. Das vom Polarisator 65 linear und von der W /8-Verzöqerungsplatte 67 elliptisch polarisierte Licht wird in den Körper 9 eingekoppelt und viermal derart umpolarisiert, daß die große Achse der Polarisationsellipse jeweils größer und die kleine Achse der Polarisationsellipse jeweils kleiner wird.If a mechanical pressure acts on the body 9 via a stamp 73, the body 9 deflects in the direction of arrow 74 like a membrane. Near the main body side 10 compressive stresses occur and tensile stresses occur near the main body side 11 on. That of the polarizer 65 is linear and that of the W / 8 retardation plate 67 is elliptical polarized light is coupled into the body 9 and repolarized four times in such a way that that the major axis of the polarization ellipse is greater and the minor axis the polarization ellipse becomes smaller each time.
Der Analysator 69 und der als Analysator wirkende Polarisator 65 filtern aus diesem Licht zwei senkrecht zueinander polarisierte Lichtanteile aus, die von den Lichtleitern 71 und 72 den Fotodetektoren 58 und 59 zuqeführt werden. Aus der Differenz der von den Fotodetektoren 58 und 59 erfaßten Lichtstärken ermittelt die Auswerteschaltung 60 die Größe des über den Stempel 73 auf den Körper 9 einwirkenden mechanischen Druckes und liefert über den Anschluß 61 eine Spannung mit einem der Größe dieses Druckes entsprechenden Wert.The analyzer 69 and the polarizer 65 acting as an analyzer filter from this light two light components polarized perpendicularly to one another, which from the light guides 71 and 72 are fed to the photodetectors 58 and 59. From the The difference between the light intensities detected by the photo detectors 58 and 59 is determined by the Evaluation circuit 60 the size of the acting on the body 9 via the punch 73 mechanical pressure and supplies via the terminal 61 a voltage with one of the Size of this pressure corresponding value.
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