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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfasersensor, der sowohl als Refraktometer als auch zur Temperaturmessung Verwendung findet.The invention relates to an optical fiber sensor which is used both as a refractometer and for temperature measurement.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Lichtleitfasersensoren zur Bestimmung des Brechungsindexes bzw. damit zusammenhängender physikalischer Größen, wie г. B. der Temperatur bzw. der Konzentration von Flüssigkeiten sind bekannt. So ist in US-PS 4187025 und EP 0000319 ein Sensortyp beschrieben, bei dem die Lichtleitfaser durch Entmanteln und Krümmen in einem kurzen Bereich sensorisch wirksam gemacht wird, wobei die optische Transmission der Lichtleitfaser empfindlich von der optischen Brechzahl der Umgebung dieses sensorischen Bereiches abhängt. Die Krümmung kann U-förmig oder auch aus mehreren alternierenden Krümmungen zusammengesetzt sein. Ein solcherart aufgebauter Sensor weist allerdings eine hohe mechanische Verletzbarkeit sowohl beider Herstellung der Krümmung und des Sensors, als auch bei seiner Benutzung auf. Dasselbe trifftauf Temperatursensoren, die gemäß SU 859838 aufgebaut sind zu. In DE-OS 3321 203 ist die zur Messung verwendete Lichtleitfaser auf einem Trägerkörper befestigt. Diese Maßnahme beseitigt die mechanische Verletzbarkeit jedoch nicht, sondern verringert sie lediglich. Desweiteren kann es durch die Art der Befestigung auf dem Trägerkörper infolge chemischer Einflüsse und thermischer Spannungen, sowie bei Temperaturmessungen in aggressiven Medien zu Veränderungen der Transmissionseigenschaften der Lichtleitfaser kommen, die die Meßwerte verfälschen.Optical fiber sensors for determining the refractive index or related physical quantities, such as г. As the temperature or the concentration of liquids are known. Thus, US Pat. No. 4,187,025 and EP 0000319 describe a sensor type in which the optical fiber is rendered sensory by stripping and bending in a short region, the optical transmission of the optical fiber being sensitive to the optical refractive index of the environment of this sensory region. The curvature may be U-shaped or composed of several alternating curvatures. However, a sensor constructed in this way has a high mechanical vulnerability both in the production of the curvature and the sensor, as well as in its use. The same applies to temperature sensors constructed in accordance with SU 859838. In DE-OS 3321 203, the optical fiber used for the measurement is mounted on a carrier body. However, this measure does not eliminate the mechanical vulnerability but merely reduces it. Furthermore, as a result of the type of fastening on the carrier body as a result of chemical influences and thermal stresses, as well as in temperature measurements in aggressive media, changes in the transmission properties of the optical fiber can occur, which falsify the measured values.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Es ist das Ziel der Erfindung, einen Lichtleitfasersensor anzugeben, der leicht und reproduzierbar herstellbar ist und in seiner Handhabung robust und gegenüber aggressiven Medien im Rahmen von Temperaturmessungen unempfindlich ist.It is the object of the invention to provide an optical fiber sensor which can be produced easily and reproducibly and is robust in its handling and insensitive to aggressive media in the context of temperature measurements.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleitfasersensor anzugeben, dessen Krümmung, die den sensorischen Bereich darstellt, fixiert und zugleich mechanisch effektiv geschützt ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Lichtwellenleiter in einem die Krümmung des Lichtwellenleiters im sensorischen Bereich des Lichtwellenleiters bestimmenden Rohr angeordnet ist und zumindest der sensoriche Bereich des Lichtwellenleiters von einem im optischen Brechungsindex an den des Lichtwellenleiters angepaßten Medium umgeben ist. Entsprechend der Verwendung des Lichtwellenleiters zur Bestimmung des Brechungsindexes flüssiger Medien ist das Rohr konstruktiv derart ausgestaltet, daß das den Lichtwellenleiter umgebende Medium austauschbar ist. Im Falle des Einsatzes des Lichtleitfasersensors zurThe invention has for its object to provide a Lichtleitfasersensor whose curvature, which represents the sensory area, fixed and at the same time is mechanically effectively protected. According to the invention the object is achieved in that the optical waveguide is arranged in a the curvature of the optical waveguide in the sensory region of the optical waveguide determining tube and at least the sensoriche range of the optical waveguide is surrounded by a matched in the optical refractive index of the optical waveguide medium. According to the use of the optical waveguide for determining the refractive index of liquid media, the tube is constructed in such a way that the medium surrounding the optical waveguide is exchangeable. In the case of the use of the optical fiber sensor for
Temperaturbestimmung des umgebenden Mediums ist das Rohr dauerhaft mit einem den Lichtwellenleiter zumindest im sensorischen Bereich umgebenden Medium verfüllt. Hierfür sind Flüssigkeiten oder verfestigbare Polymere geeignet. Der Krümmungsradius des erfindungsgemäß eingesetzten Rohres und damit der Krümmungsradius der Lichtleitfaser wird entsprechend dem angestrebten Meßbereich und der gewünschten Empfindlichkeit festgelegt. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, den Krümmungsradius nicht nur U-förmig auszubilden, sondern beliebig, also bspw. S-förmig oder spiralförmig zu gestalten. Ein besonderer herstellungsbedingter Vorteil, der zugleich den Schutz der Lichtleitfaser vor negativen Einflüssen, wie z. B. mechanischer Verletzung und Verspannung sowie Korrosion bedingt, die bei der zu ihrer Krümmungsherstellung notwendigen Erhitzung (z. B. in der Flamme) nach dem üblichen Stand der Technik entstehen, liegt darin, daß bei Verwendung von Rohren und Lichtwellenleitern aus demselben Material, also mit analogen Erweichungspunkten die Krümmungsradien von Rohr und Lichtwellenleiter zugleich hergestellt werden und der Lichtwellenleiter selbst nicht mehr einer zur Erweichung eingesetzten Heizquelle in Berührung kommt. Insbesondere findet gemäß der Erfindung Quarzglas für Rohr und Lichtleitfaser Verwendung.Temperature determination of the surrounding medium, the tube is permanently filled with a surrounding the optical waveguide at least in the sensory area medium. For this purpose, liquids or solidifiable polymers are suitable. The radius of curvature of the pipe used according to the invention and thus the radius of curvature of the optical fiber is determined according to the desired measuring range and the desired sensitivity. It is also within the scope of the invention to form the radius of curvature not only U-shaped, but arbitrary, so for example. S-shaped or spiral shape. A special manufacturing-related advantage, at the same time the protection of the optical fiber from negative influences, such. B. mechanical injury and stress as well as corrosion, which arise in the necessary for their curvature heating (eg., In the flame) according to the usual prior art, is that when using tubes and optical fibers of the same material, ie with analogous softening points, the radii of curvature of tube and optical waveguide are produced at the same time and the optical waveguide itself no longer comes into contact with a heat source used for softening. In particular, quartz glass according to the invention is used for pipe and optical fiber.
Ausführungsbeispielembodiment
Zur weiteren Erläuterung der Anordnung sollen folgende Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden. Beiliegende Figuren zeigen dabeiTo further explain the arrangement, the following embodiments will be described in detail. Enclosed figures show
Fig. 1: einen refraktometrischen Lichtwellenleiter in einem Rohr zur Temperarturmessung und Fig. 2: einen refraktometrischen Lichtwellenleiter in einem Rohr zur Brechzahlmessung.1 shows a refractometric optical waveguide in a tube for measuring the temperature and FIG. 2 shows a refractometric optical waveguide in a tube for refractive index measurement.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird dabei Licht einer geeigneten Lichtquelle 1 in den als Zuleitung dienenden Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt und über diese Zuleitung dem sensorisch wirksamen, von seiner Umhüllung befreiten und gekrümmten Bereich 3 des Lichtwellenleiters zugeführt. Das den sensorischen Bereich durchlaufende Licht gelangt über den als Ableitung dienenden Lichtwellenleiter 4 auf den Empfänger 5. Der gekrümmte und von seiner Umhüllung befreite Bereich 3 des Lichtwellenleiters befindet sich in einem Rohr 6. Das Rohr 6 und die Lichtwellenleiterzu- 2 und -abführung 4 sind in einer Fassung 8 befestigt. Das Rohr 6 ist mit einer Substanz 7 gefüllt, deren optische Brechzahl sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert und im zumessenden Temperaturbereich kleiner als die optische Brechzahl des Lichtwellenleiters ist. Die optische Transmission der Lichtwellenleiteranordnung ist in bekannter Weise von dem Radius der Krümmung und von den Brechzahlen des Lichtwellenleiters und der ihn umgebenden Substanz abhängig und kann somit zur Temperaturmessung genutzt werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Lichtwellenleiter eine Quarzglaslichtleitf aser mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Brechzahl von 1,46 verwendet. Der Radius der Krümmung beträgt 1 mm. Das Rohr ist ebenfalls aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 1 mm gefertigt. Die Substanz 7 besteht aus optisch transparentem Silikonkautschuk, dessen optische Brechzahl eine Temperaturabhängigkeit von 2 χ 10"4K"1 bestitzt. Der Temperaturmeßbereich dieses refraktometrischen Lichtleitfasersensors reicht von -500C bis +2000C. In anderen Ausführungsformen kann anstelle von Silikonkautschuk als der den Lichtwellenleiter umgebenden Substanz 7 ein anderes Polymer, eine Flüssigkeit oder auch eine anorganische Substanz gewählt sein, deren Brechzahl kleiner als die des Lichtwellenleiters und temperaturabhängig ist. Außerdem kann für den Lichtwellenleiter anstelle von Quarzglas eine Substanz gewählt werden, deren Brechzahl sich stärker mit der Temperatur ändert. Desweiteren kann das Rohr 6 auch aus einem anderen Glas, aus einem Polymer oder aus Metall gefertigt sein.In the first exemplary embodiment, light from a suitable light source 1 is coupled into the optical waveguide 2 serving as a feed line and fed via this feed line to the sensory-effective region 3 of the optical waveguide which has been freed from its cladding. The light passing through the sensory area passes via the optical waveguide 4 serving as a derivation to the receiver 5. The curved region 3 of the optical waveguide, which has been freed from its cladding, is located in a tube 6. The tube 6 and the optical waveguide 2 and outlet 4 are fastened in a socket 8. The tube 6 is filled with a substance 7 whose optical refractive index changes as a function of the temperature and is smaller than the optical refractive index of the optical waveguide in the temperature range to be measured. The optical transmission of the optical waveguide arrangement is dependent in a known manner on the radius of curvature and on the refractive indices of the optical waveguide and the substance surrounding it and can thus be used for temperature measurement. In the described embodiment, the optical waveguide used is a quartz glass optical fiber having a diameter of 0.2 mm and a refractive index of 1.46. The radius of curvature is 1 mm. The tube is also made of quartz glass with an inner diameter of 1 mm. The substance 7 is made of optically transparent silicone rubber whose optical refractive index χ a temperature dependence of 2 10 "4 K" 1 spheric. The temperature measuring this refractometric optical fiber sensor ranges from -50 0 C to +200 0 C. In other embodiments, a different polymer, a liquid or an inorganic substance can be selected in place of silicone rubber as the surrounding the optical fiber substance 7, whose refractive index is smaller than the of the optical waveguide and temperature dependent. In addition, instead of quartz glass, a substance whose refractive index changes more with temperature can be selected for the optical waveguide. Furthermore, the tube 6 can also be made of another glass, of a polymer or of metal.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten z. B. zum Zwecke der Konzentrationsbestimmungen von Lösungen modifiziert dargestellt. Das Rohr 6 besitzt dazu zwei Anschlußstücke 9 und ist an seinen oberen Enden oberhalb dieser Anschlußstücke mit einem Polymer z.B. Epoxidharz oder Silikonkautschuk 10 verschlossen. Anstelle der die Krümmung des Lichtwellenleiters umgebenden Substanz 7 des ersten Ausführungsbeispieles wird die zu vermessende Flüssigkeit durch die Anschlußstücke 9 zu- und abgeführt, wodurch garantiert ist, daß sie den sensorisch wirksamen gekrümmten Bereich 3 des Lichtwellenleiters umspült.In the second embodiment, the sensor according to the invention for measuring the optical refractive index of liquids z. B. for the purpose of determining the concentration of solutions modified. The tube 6 has for this purpose two connecting pieces 9 and is at its upper ends above these connecting pieces with a polymer, e.g. Epoxy or silicone rubber 10 sealed. Instead of the curvature of the optical waveguide surrounding substance 7 of the first embodiment, the liquid to be measured is supplied and removed through the connecting pieces 9, whereby it is guaranteed that it flows around the sensory effective curved portion 3 of the optical waveguide.