Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Sensorelement zum Messen von Temperaturen, auf einen Temperatur-Messfühler für ein derartiges System, sowie eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen optischen Sensorsystem.
Optische Temperatur-Sensorsysteme haben den Vorteil, dass sie gegen elektromagnetische Störungen, chemisch aggressive Umgebungsbedingungen weitgehend unempfindlich, d.h. korrosionsfest sind oder gemacht werden können. Dank der hohen Flexibilität von z.B. Glasfasern, aber auch aufgrund möglicher, raum- und gewichtsparender Miniaturisierung, finden optische Temperatur-Sensorsysteme vermehrt Verwendung in der Industrie.
Mit den optischen Faserthermometern ist es möglich, in örtlich eng begrenzten Gebieten, die Umgebung nicht störende oder verändernde Messungen selbst in aggressivster Umgebung zu machen. Optische Fasern mit äusserst geringer Dämpfung für Licht, wie sie heute zur Verfügung stehen, erlauben auch das Anordnen der Sende-, Empfangs- und Messelektronik, bzw. -einrichtung in beträchtlicher Entfernung von der Messstelle. Bei den optischen Faser-Sensoren für die Temperaturmessung unterscheidet man heute zwischen Wandlern und Vollfasersensoren.
Einzelheiten dazu finden sich beispielsweise in der Literatur in Ovren, C. et. al. "Fibre Optic Systems for Temperature Measurements in Industrial Applications", Proc. Int. Conf. on Optical Techniques in Process Control, p. 67; Kyuma, K. et. al. "Fibre Optic Instrument for Temperature Measurement", IEEE J. Quantum Electon. OE-18, 676 (1982) zu denjenigen vom Typ Wandlern, sowie in Kist, R. et. al, "Fibre-Fabry-Perot Thermometer for Medical Applications", Proc. Ofs' 84. p. 165, VDE-Verlag GmbH. Berlin (1984); Brenci, M. et. al. "A Fibre Optic Temperature Measuring Apparatus" in Proc. EFOC-Lan. 85. p. 218, Barry. Boston (1985); Dils, R. R. "Light Temperature Optical Fiber Thermometer" J. Appl. Phys. 54. 1198 (1983) und Meltz, G. et. al. "Cross Talk Fiber Optic Temperature Sensor", Appl. Opt. 22 464, (1983) zu denjenigen vom Typ Vollfasersensor.
Bisher bekannte optische Sensorelemente für die Temperaturmessung waren bisher im Bereich hoher Temperaturen von etwa 2300 DEG K, wie sie z.B. bei Brennkraftmaschinen wie Diesel- oder Ottomotoren, oder Gasturbinen auftreten, aus verschiedenen Gründen nicht verwendbar. Die Sensoren erlaubten zum einen die Bestimmung der Gastemperatur nicht und zum andern waren damit die erforderlichen Ansprechzeiten von 1 ms nicht erreichbar. Zudem sind bekannte Lichtfaser-Temperatursensor-Systeme nur bis zu Temperaturen im Bereich von etwa 1000 DEG K brauchbar. Weiter war mit bisherigen Sensorelementen zum Messen von Temperaturen die erforderliche Messgenauigkeit in vielen Fällen nicht erreichbar.
Das optische Sensorelement nach der Erfindung weist diese Nachteile nicht auf. Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Sensorelement zum Messen der Temperatur, sowie einen Temperaturfühler zu schaffen, die erlauben, bei kurzer Ansprechzeit im Bereich von 1 ms, im Temperaturbereich von wenigen hundert Grad Kelvin bis über 2300 DEG K Temperaturen, insbesondere Gastemperaturen, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einem optischen Sensorelement für die Temperaturmessung, bzw. mit einem Temperatur-Messfühler mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst.
Derartige optische Sensorelemente nach der Erfindung sind beispielsweise in Brennkraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen unter schwierigsten thermischen Verhältnissen und korrosiver Umgebung zum Bestimmen der Gastemperatur im Brennraum und/oder Abgassystem verwendbar. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen und Teilen davon näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer faseroptischen Gastemperatur-Sonde in einer Seitenansicht;
Fig. 2 vergrössert und schematisch den Aufbau eines optischen Messorgans zum Bestimmen der Gastemperatur sowie den Strahlengang bei einer Mess-Anordnung mit einer Lichtquelle;
Fig. 3 vergrössert und schematisch den Aufbau eines optischen Messorgans zum Bestimmen der Gastemperatur sowie den Strahlengang bei einer Mess-Anordnung mit zwei Lichtquellen;
Fig. 4 ein Beispiel von optischen Transmissions-Minima und -Maxima;
Fig. 5 schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines optischen Sensorelements zur Temperaturmessung mit zwei Lichtquellen und das Blockschema einer Sender- und Empfänger- und Auswerte-Elektronik.
Bei der optischen Messsonde 1 von Fig. 1 wird das Messlicht von der nicht gezeichneten Lichtquelle über einen Lichtleiter 11, eine Licht-Faserkupplung 12, dem Hochtemperatur-Lichtleiter 13 dem Temperatur-Sensor 10, beispielsweise einem Fabry-Perot-Element, zugeführt, der am Ende des Hochtemperatur-Lichtleiters 13 angebracht ist. Mit Vorteil sind die Lichtleiter 11 und 13 sowie die Licht-Faserkupplung 12 zwei-, bzw. mehrfasrig ausgeführt, und das gesendete und das reflektierte Lichtsignal über verschiedene Fasern geführt. Der Temperatursensor 10 kann beispielsweise in Bedampfungs- und Ätztechnik, aufgebracht, bzw. hergestellt werden.
Der in Fig. 2, im Schnitt gezeigte Temperatur-Sensor 2, einem Fabry-Perot Sensor, wird von den beiden quer zur Licht- und Faserrichtung angeordneten dielektrischen, mehrschichtigen Spiegel, bzw. Deckplatten 21 und 22, sowie dem hohlzylinderförmigen Distanzstück 23, gebildet, die alle zusammen den Hohlraum 20, die eigentliche Interferenzkammer bilden. Derartige Thermosensoren werden auch Etalon genannt. Die Deckplatten 21 und 22 können z.B. zehn bis zwanzig Schichten aufweisen, die zusammen eine Dicke im Bereich von etwa 10 mu erreichen. Der Hohlraum 20 im Distanzstück 23 kann beispielsweise eine Länge in Lichtrichtung und einen Durchmesser von je etwa 50 mu aufweisen. Die Länge des Distanzstücks 23 und damit die Transmission, bzw. Reflexion des Lichts verändert sich mit der Temperatur, d.h. die optische Resonatorlänge ändert sich.
Die mehrschichtigen dielektrischen Deckplatten 21 und 22 sind so aufgebaut, dass sich der Brechungsindex in der Deckplatte in Lichtrichtung von jenem des nicht gezeichneten Lichtleiters zu jenem des Hohlraums 20 und umgekehrt verändert, bzw. anpasst. Damit kann ein praktisch reflexionsloser Übergang des Lichtes vom Lichtleiter über die Deckplatte 21, bzw. 22 in den Hohlraum 20 und umgekehrt erreicht werden. Das in der Interferenzkammer 20 interferierte Licht gelangt als konzentrische, kegelförmige Maxima und Minima in die ebenfalls nicht gezeichnete Rückleit-Lichtfaser.
Fig. 4 zeigt das typische Maxima-Minima-Lichtmuster 4 mit den Minima MA und den Maxima MX in einer Querschnittebene durch den Lichtleiter.
Fig. 3 zeigt schematisch Interferenzmuster, bzw. das Maxima-Mini-Lichtmuster des Temperatur-Sensors 3, für das Licht zweier Lichtquellen verschiedener Wellenlänge von z.B. 660 nm und 840 nm.
Der optische Resonator zeigt maximale Transmission, bzw. Reflexion, wenn die Phasendifferenz (round trip phase) zwischen einfallender und reflektierter Welle
EMI5.1
ist.
Jede Änderung der optischen Weglänge n. L und/oder der Wellenlänge lambda 0 hat eine Phasenänderung
EMI5.2
zur Folge.
Die Transmission T( phi ) als Funktion der Phase ( phi ) wird durch die Beziehung
EMI5.3
beschrieben.
Dabei ist
EMI5.4
die Finesse des Resonators. Die Transmissionsmaxima wiederholen sich mit jedem Phasenintervall (Fig. 2).
Die Signalfolge kann man auch erhalten, wenn die Frequenz des Lasers so geändert wird, dass Wellenlänge um rund 0,007 nm bei lambda 0 = 780 nm verändern würde.
Bei dem beschriebenen Temperatur-Mess-Sensor kann der Einfluss der zu messenden Temperatur einerseits bei konstanter Wellenlänge durch Detektion der aufeinanderfolgenden Transmissions-Maxima und -Minima erfasst und anderseits durch Nachregelung der Wellenlänge der Lichtquelle, z.B. einer Laserdiode kalibriert werden.
Das Problem der Vorzeichenbestimmung bei der Temperaturmessung wird so gelöst, dass der Durchmesser der Interferenzkammer 2 so gewählt wird, dass bei der Benutzung zweier Laserdioden, deren Wellenlängen so gewählt sind, dass sie in unterschiedlichem Modus und somit mit einer anderen resultierenden Brechkraft angeregt werden. Das Transmissionsmuster besteht dann aus der Überlagerung zweier Folgen von Maxima, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Analyse dieser Muster aufeinanderfolgender Doppelmaxima erlaubt die Unterscheidung des Vorzeichens der Temperaturänderung, d.h. zu unterscheiden, ob die Temperatur gestiegen oder gesunken ist. Damit werden kurze Ansprechzeiten der Temperaturmessung, bzw. eine rasche Messfolge, möglich. Zusätzlich sind die aufgedampften Schichtdicken so gewählt, dass der Temperatursensor zwei voneinander unabhängige Resonatoren enthält.
Bei linearer Einstrahlung, mit Licht, dessen Polarisationsebene in der Hauptachse des Messsensors liegt, erzeugt jeder dieser Resonatoren ein Maxima-Minima-Muster mit unterschiedlichem freien Spektralbereich. In diesem Fall sieht der Detektor eine Folge von Doppelmaxima, die zur Eichung jeder Temperaturmessung eigentlichen Temperaturmessung dienen. Dadurch wird es möglich, die Temperatur absolut und mit einer Messgenauigkeit von 0.05% ohne Nacheichung durchzuführen.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Mess- und Auswerteanordnung wird das Licht der beiden Laser-Lichtquellen 51 und 52 verschiedener Wellenlänge in die ersten Lichtleitfasern eingekoppelt und zum Temperatur-Messfühler mit dem Sensor 510 geleitet. Das optische Temperatursignal wird über zweite Lichtleitfasern rückgeführt und zu den beiden Detektoren 51 min und 52 min ausgekoppelt. Das Licht der Lichtquellen 51 und 52 wird aufgrund des gemessenen, reflektierten Signales mit einer Regelschaltung 53 für die Lichtquelle auf einen Sollwert geregelt, indem der Stärke des Injektionsstroms der Laserdioden 51, 52 verändert wird. Gesteuert wird diese Stromstärkenänderung z.B. von einem Empfänger-Eingangsmultiplexer 53.
Bei Änderungen der zu messenden Temperatur ändert sich das Signal, d.h. das Intensitätsmuster des reflektierten Lichts der beiden Lichtquellen gemäss der Resonatorkurve des Sensors 510. Aus den beiden Lichtsignalen wird bei dieser Zwei-Frequenzmethode nach dem Heterodynverfahren, eine Schwebungs frequenz erzeugt, durch deren Phasenlage die zu messende Temperatur bestimmt ist.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Mess- und Auswertekonzept wird also das vom Detektor gemessene Signal durch einen Regler auf einem Sollwert gehalten. Bei Veränderung der zu messenden Temperatur ändert sich das Signal gemäss der Resonatorkurve des Etalons oder Resonators 510. Der Regler ändert daraufhin den Injektionsstrom der Laserdiode so, dass die dadurch hervorgerufene Änderung der Wellenlänge die Signalabweichung auf den Sollwert zurückführt. Zusätzlich wird ein Heterodyn- oder Schwebungs-Frequenz-Verfahren benutzt. Diese Messmethode macht die Messung unabhängig von internen und externen Laserlicht-Intensitätsverlusten, wie z.B. Absorptionsverlusten im Lichtwellenleiter oder Kopplungsverlusten.
The present invention relates to an optical sensor element for measuring temperatures, a temperature sensor for such a system, and an internal combustion engine with such an optical sensor system.
Optical temperature sensor systems have the advantage that they are largely insensitive to electromagnetic interference, chemically aggressive environmental conditions, i.e. are corrosion resistant or can be made. Thanks to the high flexibility of e.g. Glass fibers, but also because of possible space and weight-saving miniaturization, optical temperature sensor systems are increasingly used in industry.
With optical fiber thermometers, it is possible to take measurements that do not disturb or change the surroundings in narrowly confined areas, even in the most aggressive surroundings. Optical fibers with extremely low attenuation for light, as they are available today, also allow the transmitter, receiver and measuring electronics or devices to be arranged at a considerable distance from the measuring point. With optical fiber sensors for temperature measurement, a distinction is made today between transducers and full-fiber sensors.
Details on this can be found, for example, in the literature in Ovren, C. et. al. "Fiber Optic Systems for Temperature Measurements in Industrial Applications", Proc. Int. Conf. on Optical Techniques in Process Control, p. 67; Kyuma, K. et. al. "Fiber Optic Instrument for Temperature Measurement", IEEE J. Quantum Electon. OE-18, 676 (1982) on those of the converter type, as well as in Kist, R. et. al, "Fiber-Fabry-Perot Thermometer for Medical Applications", Proc. Ofs' 84. p. 165, VDE-Verlag GmbH. Berlin (1984); Brenci, M. et. al. "A Fiber Optic Temperature Measuring Apparatus" in Proc. EFOC-Lan. 85. p. 218, Barry. Boston (1985); Dils, R.R. "Light Temperature Optical Fiber Thermometer" J. Appl. Phys. 54, 1198 (1983) and Meltz, G. et. al. "Cross Talk Fiber Optic Temperature Sensor", Appl. Opt. 22 464, (1983) to those of the full fiber sensor type.
Previously known optical sensor elements for temperature measurement were previously in the range of high temperatures of around 2300 ° K, as they are e.g. cannot be used in internal combustion engines such as diesel or gasoline engines or gas turbines for various reasons. On the one hand, the sensors did not allow the gas temperature to be determined and, on the other hand, the required response times of 1 ms could not be achieved. In addition, known optical fiber temperature sensor systems can only be used up to temperatures in the range of approximately 1000 ° C. Furthermore, the required measuring accuracy was not achievable in many cases with previous sensor elements for measuring temperatures.
The optical sensor element according to the invention does not have these disadvantages. The object of the invention is to provide an optical sensor element for measuring the temperature and a temperature sensor which, with a short response time in the range from 1 ms, in the temperature range from a few hundred degrees Kelvin to over 2300 ° K temperatures, in particular gas temperatures, with to determine high accuracy. According to the invention, these objects are achieved with an optical sensor element for temperature measurement, or with a temperature sensor with the features of independent claims 1 and 12, respectively.
Such optical sensor elements according to the invention can be used, for example, in internal combustion engines such as internal combustion engines or gas turbines under the most difficult thermal conditions and corrosive environments to determine the gas temperature in the combustion chamber and / or exhaust system. The dependent claims relate to particularly advantageous developments of the invention.
The invention is explained below with reference to the embodiments shown in the drawings and parts thereof.
Show it:
Figure 1 schematically shows the structure of a fiber optic gas temperature probe in a side view.
2 shows an enlarged and schematic view of the structure of an optical measuring element for determining the gas temperature and the beam path in a measuring arrangement with a light source;
3 shows an enlarged and schematic diagram of the structure of an optical measuring element for determining the gas temperature and the beam path in a measuring arrangement with two light sources;
4 shows an example of optical transmission minima and maxima;
Fig. 5 schematically shows an example of the structure of an optical sensor element for temperature measurement with two light sources and the block diagram of a transmitter and receiver and evaluation electronics.
In the optical measuring probe 1 from FIG. 1, the measuring light is fed from the light source, not shown, via a light guide 11, a light-fiber coupling 12, the high-temperature light guide 13 to the temperature sensor 10, for example a Fabry-Perot element, which is attached to the end of the high-temperature light guide 13. Advantageously, the light guides 11 and 13 and the light-fiber coupling 12 are designed with two or more fibers, and the transmitted and the reflected light signal are guided over different fibers. The temperature sensor 10 can, for example, be applied or produced using vapor deposition and etching technology.
The temperature sensor 2 shown in section in FIG. 2, a Fabry-Perot sensor, is formed by the two dielectric, multilayer mirrors or cover plates 21 and 22 arranged transversely to the light and fiber direction, and the hollow cylindrical spacer 23 which together form the cavity 20, the actual interference chamber. Such thermal sensors are also called etalon. The cover plates 21 and 22 can e.g. have ten to twenty layers, which together reach a thickness in the range of approximately 10 μm. The cavity 20 in the spacer 23 can, for example, have a length in the direction of light and a diameter of approximately 50 μm. The length of the spacer 23 and thus the transmission or reflection of the light changes with the temperature, i.e. the optical resonator length changes.
The multilayer dielectric cover plates 21 and 22 are constructed in such a way that the refractive index in the cover plate changes or adapts in the light direction from that of the light guide, not shown, to that of the cavity 20 and vice versa. A practically reflection-free transition of the light from the light guide via the cover plate 21 or 22 into the cavity 20 and vice versa can thus be achieved. The light interfered in the interference chamber 20 arrives as concentric, conical maxima and minima in the return optical fiber, which is also not shown.
4 shows the typical maxima-minima light pattern 4 with the minima MA and the maxima MX in a cross-sectional plane through the light guide.
Fig. 3 shows schematically interference pattern, or the maxima-mini light pattern of the temperature sensor 3, for the light of two light sources of different wavelengths, e.g. 660 nm and 840 nm.
The optical resonator shows maximum transmission or reflection when the phase difference (round trip phase) between the incident and reflected wave
EMI5.1
is.
Every change in the optical path length n. L and / or the wavelength lambda 0 has a phase change
EMI5.2
result.
The transmission T (phi) as a function of the phase (phi) is determined by the relationship
EMI5.3
described.
It is
EMI5.4
the finesse of the resonator. The transmission maxima repeat with every phase interval (FIG. 2).
The signal sequence can also be obtained if the frequency of the laser is changed such that the wavelength would change by around 0.007 nm at lambda 0 = 780 nm.
In the temperature measurement sensor described, the influence of the temperature to be measured can be detected on the one hand at a constant wavelength by detecting the successive transmission maxima and minima and on the other hand by readjusting the wavelength of the light source, e.g. a laser diode can be calibrated.
The problem of determining the sign in the temperature measurement is solved in such a way that the diameter of the interference chamber 2 is selected so that when using two laser diodes the wavelengths of which are selected such that they are excited in different modes and thus with a different resulting refractive power. The transmission pattern then consists of the superposition of two sequences of maxima, as shown in FIG. 3. The analysis of these patterns of successive double maxima allows the sign of the temperature change to be distinguished, i.e. to distinguish whether the temperature has risen or fallen. This enables short response times for the temperature measurement, or a quick measurement sequence. In addition, the evaporated layer thicknesses are selected so that the temperature sensor contains two mutually independent resonators.
With linear irradiation, with light whose polarization plane lies in the main axis of the measuring sensor, each of these resonators generates a maxima-minima pattern with a different free spectral range. In this case, the detector sees a sequence of double maxima, which are used to calibrate each actual temperature measurement. This makes it possible to carry out the temperature absolutely and with a measuring accuracy of 0.05% without re-calibration.
In the measurement and evaluation arrangement shown in FIG. 5, the light from the two laser light sources 51 and 52 of different wavelengths is coupled into the first optical fibers and passed to the temperature sensor with the sensor 510. The optical temperature signal is fed back via second optical fibers and coupled out to the two detectors 51 min and 52 min. The light of the light sources 51 and 52 is regulated on the basis of the measured, reflected signal with a control circuit 53 for the light source to a desired value by changing the strength of the injection current of the laser diodes 51, 52. This amperage change is controlled e.g. from a receiver input multiplexer 53.
When the temperature to be measured changes, the signal changes, i.e. the intensity pattern of the reflected light from the two light sources according to the resonator curve of the sensor 510. In this two-frequency method according to the heterodyne method, a beat frequency is generated from the two light signals, the phase position of which determines the temperature to be measured.
In the measurement and evaluation concept shown in FIG. 5, the signal measured by the detector is thus kept at a desired value by a controller. When the temperature to be measured changes, the signal changes in accordance with the resonator curve of the etalon or resonator 510. The controller then changes the injection current of the laser diode in such a way that the change in wavelength caused by this leads the signal deviation back to the desired value. In addition, a heterodyne or beat frequency method is used. This measurement method makes the measurement independent of internal and external laser light intensity losses, e.g. Loss of absorption in the optical fiber or coupling losses.