DE10057607A1 - Faseroptische Druck-und Temperaturaufnehmer und System zur Überwachung von Druck und/oder Temperatur - Google Patents
Faseroptische Druck-und Temperaturaufnehmer und System zur Überwachung von Druck und/oder TemperaturInfo
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Abstract
Ein faseroptischer Druckaufnehmer weist einen Sensorbereich mit einem druckabhängigen Membranbereich auf, an dessen reflektierender Oberfläche mit Hilfe einer Glasfaser auf die reflektierende Oberfläche gerichtetes Licht in die Faser zurückgekoppelt wird, wobei der zurücklaufende Strahl mittels eines Referenzstrahls zur Interferenz gebracht wird und in einem entsprechenden optischen Detektor nachgewiesen wird. In einem faseroptischen Temperaturaufnehmer wird mittels einer Glasfaser die temperaturabhängige Strahlung einer Sensorfläche erfasst und zu einem optischen Detektor weitergeleitet, woraus aus der Intensität die Temperatur der Sensorfläche ermittelt wird. Ein System zur Überwachung von Druck und/oder Temperatur umfasst zumindest einen faseroptischen Druckaufnehmer und/oder zumindest einen faseroptischen Temperaturaufnehmer, wobei mittels einer Auswerteelektronik aus interferierenden Lichtstrahlen und/oder Temperatur eines zu messenden Systems ermittelt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faseroptischen Druckaufnehmer zur Verwendung
in einem System zur Überwachung von Druck- und/oder Temperaturbedingungen in expo
nierten Systemen, insbesondere in Verbrennungsräumen von Wärmekraftmaschinen, mit
einem ummantelten Sensorbereich, der in einem Verbrennungsraum einführbar ist, wobei
der ummantelte Sensorbereich einen auf Druck reagierenden Membranbereich aufweist,
einer Glasfaser, die in hermetisch versiegelter Weise in den Sensorbereich eingeführt ist
und ein erstes Ende aufweist, das mit einer reflektierenden Oberfläche des Membranbe
reichs über einen, die Glasfaser und den Membranbereich mechanisch entkoppelnden
Spalt mit einer druckabhängigen Spaltbreite in optischen Kontakt bringbar ist, einer Licht
quelle, die ausgebildet ist, Licht in das zweite Ende der Glasfaser einzukoppeln, einem
Strahlteiler, der mit der Glasfaser und einer zweiten Glasfaser gekoppelt und ausgebildet
ist, von der reflektierenden Oberfläche in die Glasfaser reflektiertes Licht teilweise von der
Glasfaser in die zweite Glasfaser zu lenken, und einem mit der zweiten Glasfaser gekop
pelten optischen Detektor. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen faseroptischen
Temperaturaufnehmer, sowie ein System zum Überwachen von Druck und/oder Tempera
tur unter Verwendung von zumindest eines faseroptischen Druckaufnehmers und/oder zu
mindest eines faseroptischen Temperaturaufnehmers.
In vielen Bereichen der Industrie und Technik ist es notwendig, Druck und Temperatur ei
nes Mediums zu überwachen. Insbesondere in Bereichen, die schwer zugänglich sind und
in denen starke elektromagnetische Störsignale vorhanden sind, erweist sich eine zuver
lässige und störungssichere Detektion von Druck und Temperatur als schwierig. Insbeson
dere beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen ist es wichtig, die Parameter Druck
und Temperatur im Verbrennungsraum zu überwachen und gegebenenfalls Korrekturen
auszuführen, um die Verbrennung im Zylinder möglichst optimal verlaufen zu lassen. Um
eine zuverlässige Motorregelung auf der Grundlage der Parameter Druck und Temperatur
durchführen zu können, sind Sensorelemente erforderlich, die zuverlässig und genau über
einen langen Zeitraum die erforderlichen Signale bereitstellen. Ferner herrschen im Bereich
des Zylinders, insbesondere wenn es sich um einen Ottomotor handelt, starke elektromag
netische Störfelder vor, so dass das elektrische Auslesen der in der Regel schwachen Sen
sorsignale zu erheblichen Störungen überlagert. Eine entsprechende Signalaufbereitung
am Ort des Sensors ist in der Regel nicht durchführbar, da aufgrund der hohen Betriebs
temperaturen in der Nähe des Zylinders sowie der durch Verschmutzung und Vibrationen
bedingten Beeinträchtigung eine entsprechende Schaltung nicht zuverlässig über einen
langen Zeitraum arbeiten würde. Da die ständig steigende Nachfrage nach optimierten
Motoren insbesondere in Hinsicht auf reduzierte Abgas-Emissionen und einen reduzierten
Treibstoffverbrauch, stetig ansteigt, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Druckaufnehmer, einen Temperaturaufnehmer sowie ein System zur Überwachung von
Druck und Temperatur bereitzustellen, die ein genaues Erfassen von Druck und Tempera
tur über einen langen Zeitraum in exponierten Systemen, insbesondere in Verbrennungs
räumen von Wärmekraftmaschinen ermöglichen, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfin
dung durch einen faseroptischen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art gelöst, der
sich dadurch auszeichnet, dass ein von der reflektierenden Oberfläche reflektierter Licht
strahl in Abhängigkeit von der Spaltbreite mit einem Referenzlichtstrahl zur Interferenz
bringbar ist, wobei die Intensität der interferierenden Strahlen in dem optischen Detektor
nachweisbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen faserop
tischen Temperaturaufnehmer mit einem Sensorkopf, in dem zumindest eine ummantelte
Glasfaser eingeführt ist, wobei ein Ende der Faser zu einer Temperatursensorfläche des
Sensorkopfes zur Einkoppelung von Strahlung gerichtet ist, und wobei das andere Ende
der Glasfaser mit einer Fotodiode in optischer Verbindung steht, um die in die Glasfaser
eingekoppelte Strahlung nachzuweisen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein System zur Überwachung von Druck und/oder Tempera
tur eines exponierten Systems, insbesondere eines Verbrennungsraums in einer Wärme
kraftmaschine, bereitgestellt, das mindestens einen faseroptischen Druckaufnehmer
und/oder mindestens einen faseroptischen Temperaturaufnehmer, sowie eine Auswerte
elektronik umfasst, die die Signale aus dem faseroptischen Druckaufnehmer und/oder dem
faseroptischen Temperaturaufnehmer empfängt und aus diesen Signalen Werte für Druck
und Temperatur des exponierten Systems ermittelt.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Druck im
Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors zu erfassen und ein entsprechendes Sig
nal, das nicht durch die hochfrequenten Störfelder der Zündkerze oder der Zündanlage des
Motors beeinträchtigt wird, an einer für die Auswertung geeigneten Stelle bereitzustellen.
Dabei wird beim erfindungsgemäßen faseroptischen Druckaufnehmer vom Interferenzprin
zip Gebrauch gemacht, wodurch sich eine sehr genaue und auch schnelle Aufzeichnung
von Drücken und Druckschwankungen erreichen lässt. Zu diesem Zweck weist der Druck
aufnehmer in seinem Sensorbereich einen Membranbereich auf, der mit einer äußeren O
berfläche beispielsweise mit dem Gas im Verbrennungsraum in Verbindung steht und somit
entsprechend dem im Verbrennungsraum herrschenden Druck unterschiedlich stark ver
formt wird. Der Sensorbereich kann beispielsweise als zylindrisches Element ausgeführt
sein, an dessen einem Ende die Glasfaser eingeführt ist und dessen anderes Ende den
Membranbereich bildet. Die Wandstärke des Membranbereichs wird dabei geeigneter Wei
se so gewählt, dass eine maximale Auslenkung der Membran von 1 µm bis einige zig-µm
möglich sind. Wenn daher bei den z. B. im Verbrennungsraum vorherrschenden hohen
Drücken eine lange Lebensdauer des Sensors gefordert ist, wobei das Auflösungsvermö
gen des Sensors reduziert sein darf, so kann eine entsprechend große Materialstärke ge
wählt werden, so dass die entsprechende Auslenkung bzw. Verformung des Membranbe
reichs bei geringer Materialermüdung klein ist. Insbesondere vorteilhaft bei dem erfin
dungsgemäßen faseroptischen Druckaufnehmer ist es, dass dieser abhängig von der Stei
figkeit der Membranfläche für unterschiedliche Druckbereiche optimiert werden kann.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen Druckaufnehemers wird
der Referenzstrahl dadurch erzeugt, dass das zum Membranbereich hinweisende Ende der
Glasfaser teilweise verspiegelt ist, so dass ein Teil des einlaufenden Lichtstrahls an diesem
Ende reflektiert wird, wohingegen der restliche Strahl an der reflektierenden Oberfläche des
Membranbereichs reflektiert und wieder in die Faser eingekoppelt wird. Vorteilhaft ist es da
bei, die Reflektionsverhältnisse an dem Ende der Glasfaser so zu gestalten, dass der wie
der eintretende, von der Membranoberfläche reflektierte Strahl nur geringfügig abge
schwächt wird. Der zurücklaufende interferierende Strahl wird dann mittels eines Strahltei
lers, der beispielsweise durch einfaches Verschweißen zweier Glasfasern hergestellt ist, in
die zweite Glasfaser eingekoppelt und die Intensität des interferierenden Strahls wird in der
Fotodiode nachgewiesen.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Referenzstrahl dadurch erzeugt, dass eine
dritte Glasfaser, die im Wesentlichen identisch zur ersten Glasfaser ist, und ein Strahlteiler
nach der Lichtquelle vorgesehen ist, um Licht gleichzeitig in die erste und dritte Glasfaser
einzukoppeln. Dabei weist die dritte Glasfaser ein vollkommen verspiegeltes Ende auf, so
dass der Referenzstrahl an diesem Ende nahezu vollständig reflektiert wird. Das Ende der
ersten Glasfaser ist dann so beschaffen, dass der Lichtstrahl nahezu vollständig aus der
Glasfaser austritt und von der reflektierenden Oberfläche des Membranbereichs reflektiert
und wieder in die Glasfaser eingekoppelt wird. Mittels des Strahlungsteilers werden der zu
rücklaufende Referenzstrahl in der dritten Glasfaser und der zurücklaufende Lichtstrahl in
der ersten Glasfaser in die zweite Glasfaser eingekoppelt und das der Auslenkung des
Membranbereichs entsprechende Interferenzmuster wird in der Fotodiode nachgewiesen.
Ein derartiger Aufbau hat den Vorteil, dass ein Ende der dritten Glasfaser lediglich mit einer
total reflektierenden Beschichtung zu versehen ist, so dass keine aufwendigen, teilweise
reflektierenden Beschichtungen notwendig sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der faseroptische Druckaufnehmer
im Sensorbereich einen starren Referenzbereich mit einer reflektierenden Oberfläche auf,
die zu einer Glasfaser zur Temperaturmessung hinweist, wobei zwischen der reflektieren
den Oberfläche des Referenzbereichs und der Glasfaser zur Temperaturmessung ein Spalt
ausgebildet ist, und Licht aus der Lichtquelle in die Glasfaser zur Temperaturmessung ein
gekoppelt wird und an der reflektierenden Oberfläche des Referenzbereichs reflektiertes
Licht mit einem zweiten Referenzstrahl interferiert.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Intensität des in der Glasfaser zur Temperaturmes
sung zurücklaufenden Lichtstrahls, der mit dem zweiten Referenzstrahl interferiert, nach
zuweisen. Dies ist vorteilhaft, da die Interferenzintensität in der Glasfaser zur Temperatur
messung an einem starren Referenzbereich reflektiert wird und somit nicht vom Druck ab
hängig ist. Dies erlaubt es, insbesondere die Einflüsse, die durch die relativ hohe Tempe
ratur am Ort des faseroptischen Druckaufnehmer hervorgerufen werden, zu erfassen und
mit dem druckabhängigen Interferenzsignal zu vergleichen. Insbesondere lässt sich da
durch auch ein Temperatursignal erzeugen, das entsprechend der thermischen Einstellzeit
des starren Referenzbereichs eine gemittelte Temperatur repräsentiert.
Der erfindungsgemäße faseroptische Temperaturaufnehmer erlaubt eine rasche und zu
verlässige Erfassung der Temperatur in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungs
motors, wobei die von einer inneren Sensorfläche emittierte Strahlung in eine Glasfaser
eingekoppelt und zu einer Fotodiode weiter geleitet wird. Das Temperatursignal wird dabei
erst am Ort der Fotodiode in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und so
mit können die störenden elektromagnetischen Felder beispielsweise einer Zündanlage
wirksam vermieden werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die zur Messung verwen
dete Glasfaser nicht unmittelbar mit dem Gas in dem Verbrennungsraum in Kontakt kommt.
Die Sensorfläche, die mit einer äußeren Oberfläche mit dem zu messenden Medium in
Kontakt ist, befindet sich im thermischen Gleichgewicht mit dem Medium und anhand der
von der Sensorfläche in die Glasfaser eingekoppelten Strahlung kann in bekannter Weise
aus der Intensität die Temperatur der Sensorfläche und damit des Mediums ermittelt wer
den.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Sensorfläche mit einem thermisch iso
lierendem Dichtmaterial an dem Sensorkopf befestigt, so dass eine starke Entkopplung
zwischen dem Sensorkopf und der Sensorfläche vorhanden ist. Dadurch wird gewährleis
tet, dass die Sensorfläche, die je nach Anwendung als eine Schicht mit kleiner spezifischer
Wärmekapazität ausgebildet ist, raschen Temperaturänderungen in dem Medium folgen
kann.
Vorteilhafter Weise ist ein Abstand zwischen dem Ende der Glasfaser und der Sensorfläche
vorgesehen und so bemessen, dass die numerische Apertur der Glasfaser ausschließlich
mit von der Sensorfläche emittierter Strahlung gefüllt ist. Dies gewährleistet, dass im We
sentlichen nur Strahlung der Sensorfläche in die Faser eingekoppelt wird, womit lediglich
Strahlung zur Auswertung gelangt, die die Temperatur des Mediums repräsentiert. Insbe
sondere wird durch den Abstand auch eine thermische Entkopplung zwischen der Sensor
fläche und der Glasfaser gewährleistet, wodurch die Temperatur an der Glasfaser deutlich
geringer sein kann als die gemessene Temperatur. Dadurch wird eine höhere Zuverlässig
keit und längere Lebensdauer des faseroptischen Temperaturaufnehmers erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im faseroptischen Temperaturaufnehmer
eine zweite Glasfaser vorgesehen, die im Wesentlichen die gleiche Länge und die gleiche
Beschaffenheit wie die Glasfaser aufweist und zu dieser benachbart angeordnet ist, wobei
das zur Sensorfläche gerichtete Ende der zweiten Glasfaser verspiegelt ist, so dass im
Wesentlichen keine Strahlung von der Sensorfläche eingekoppelt wird, und wobei das an
dere Ende mit einer zweiten Fotodiode in optischer Verbindung steht. Diese Anordnung er
laubt die Erzeugung eines Referenztemperatursignals, so dass ein in der zweiten Glasfaser
gemessenes Signal mit dem in der Glasfaser gemessenem Signal zur Ermittelung von Ein
flüssen, die nicht durch die Temperatur der Sensorfläche verursacht sind, ermittelt werden
können.
Das erfindungsgemäße System zur Überwachung von Druck und Temperatur unter Ver
wendung eines oder mehrerer faseroptischer Druckaufnehmer sowie eines oder mehrerer
faseroptischer Temperaturaufnehmer, gestattet die störungssichere Erfassung einer Viel
zahl von Temperatur- und Drucksignalen, aus denen dann in einer Kontrolleinheit entspre
chende Druck- und Temperaturwerte ermittelt werden. Die entsprechenden Werte können
dann für eine weitere Bearbeitung bereitgestellt werden, so dass beispielsweise der Betrieb
eines Verbrennungsmotors optimiert werden kann. Zu diesem Zweck weist die Auswerte
elektronik vorteilhafter Weise eine entsprechende Schnittstelle auf, über die Daten an eine
entsprechende Rechnereinheit übermittelt werden. Vorzugsweise werden die Daten in der
Kontrolleinheit zur weiteren Bearbeitung digitalisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße System eine
Auswertelektronik, die mit dem optischen Detektor verbunden ist, um die Intensität des in
terferierenden Strahls sowie die Anzahl der Interferenzmaxima- und minima in einem vor
gegebenen Zeitintervall zu ermitteln. Zu diesem Zweck weist die Auswerteelektronik eine
Zählereinrichtung auf, die die Anzahl der Intensitätsmaxima- und minima während eines
vorbestimmten Zeitintervalls ermittelt. Auf diese Weise lässt sich der gesamte mechanische
Verstellbereich des Membranbereichs für die Messung nutzen. Ferner kann durch die
gleichzeitige Messung der Intensität und ein Vergleich zweier zeitlich beabstandeter Inten
sitätswerte die Richtung der Auslenkung des Membranbereichs ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße System kann insbesondere zur Abschätzung schneller Druck
schwankungen, wobei mehrere Interferenzmaxima in rascher Folge durchlaufen werden,
vorteilhaft verwendet werden. Eine derartige Situation tritt beispielsweise beim Klopfen von
Verbrennungsmotoren auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der Unteransprüchen sowie der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. In den Zeichnungen zei
gen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines faseroptischen Druck
aufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorbereichs einer Ausfüh
rungsform des faseroptischen Druckaufnehmers;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Überblicksdarstellung über eine weitere Ausfüh
rungsform des faseroptischen Druckaufnehmers;
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Sensorbereichs des in
Fig. 3 schematisch dargestellten faseroptischen Druckaufnehmers;
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorkopfes einer Aus
führungsform des faseroptischen Temperaturaufnehmers; und
Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Systems zur Erfassung von
Druck und Temperatur unter Verwendung mehrerer faseroptischer Druckauf
nehmer und mehrerer faseroptischer Temperaturaufnehmer.
Fig. 1 ist eine schematische Überblicksdarstellung einer Ausführungsform des faseropti
schen Druckaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 umfasst ein faserop
tischer Druckaufnehmer 100 eine Lichtquelle 101, die optisch mit einer ersten Glasfaser
102 verbunden ist. Das von der Lichtquelle 101 abgewandte Ende der Glasfaser 102 ist in
einen Sensorbereich 103 eingeführt. Ferner weist in diesem Ausführungsbeispiel der faser
optische Druckaufnehemer 100 einen ersten Strahlteiler 104 auf, der über eine Monitorfaser
105 mit einer Monitorfotodiode 106 verbunden ist. Ein zweiter Strahlteiler 107 stellt eine op
tische Verbindung zwischen der Glasfaser 102 und einer Fotodiode 109 über eine zweite
Glasfaser 108 her.
Während des Betriebs des faseroptischen Druckaufnehmers 100 wird die Lichtquelle 101
mit einer geeigneten Stromversorgung verbunden, um vorzugsweise ein monochromati
sches Licht zu emittieren. Die Lichtquelle 101 kann beispielsweise aus einer oder mehrerer
Leuchtdioden aufgebaut sein, die über eine entsprechende Linse bzw. ein optisches Sys
tem das emittierte Licht in die Faser 102 einkoppeln. Die Wellenlänge des verwendeten
Lichts liegt beispielsweise im Bereich von 2000 nm bis 500 nm. Vorzugsweise wird eine
preisgünstige Multimodenglasfaser aus Quarzglas oder einem anderen geeigneten Material
verwendet, wobei vorzugsweise die Glasfaser 102 im verwendeten Wellenlängenbereich
eine geringe Dämpfung aufweist. Über den Strahlteiler 104, der vorzugsweise so aufgebaut
ist, dass er lediglich einen geringen Teil des Lichts in der Glasfaser 103 über die Monitorfa
ser 105 zur Monitor-Fotodiode 106 lenkt, lässt sich die Intensität der Lichtquelle 101 über
wachen. Das Licht in der Faser 102 wird zum Sensorbereich 103 geführt, der einen in der
Figur nicht dargestellten Membranbereich aufweist, der mit einem zu messenden Medium in
Kontakt ist. Der Aufbau und die Funktion des Sensorbereichs 103 wird anschließend mit
Bezug zu Fig. 2 genauer erläutert. Das Licht in der Glasfaser 102 wird am Austrittsende
teilweise reflektiert und der austretende Teil des Lichtes wird am Membranbereich reflektiert
und wieder in die Glasfaser 102 eingekoppelt. Der zurücklaufende interferierende Strahl
wird im Strahlteiler 107 teilweise in die zweite Glasfaser 108 und weiter zur Fotodiode 109
gelenkt, die die Intensität des interferierenden Strahles in ein entsprechendes elektrisches
Signal umwandelt. Anzumerken ist, dass vorzugsweise Glasfasern verwendet werden, in
denen der Brechungsindex graduell nach außen abnimmt, so dass im Wesentlichen keine
Laufzeitunterschiede zwischen einzelnen Teilstrahlen in den Fasern auftreten.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Sensorbereichs 103 aus Fig. 1.
Fig. 2 zeigt einen Teil der Glasfaser 102, die von einer Hülse 100 umschlossen wird. Der
Sensorbereich 103 weist ferner einen stabilen Mantel 111 auf, wobei an einem Ende eine
Öffnung vorgesehen ist, durch die die Glasfaser 102 ins Innere des Mantels 111 eingeführt
ist. An dem der Öffnung abgewandten Ende des Mantels 111 ist ein Membranbereich 112
ausgebildet mit Randbereichen 113, an denen die Materialstärke des Membranbereichs
112 deutlich verringert ist, so dass eine verstärkte Auslenkung dieses Bereiches bei Druckbeaufschlagung
möglich ist. Mit der inneren Oberfläche des Membranbereichs 112 ist ein
längliches Reflexionselement 115 mit einer reflektierenden Oberfläche 114 verbunden. Das
längliche Reflexionselement 115 wird in der Längsrichtung bewegbar durch eine Hülse 116
geführt. Die reflektierende Oberfläche 114 ist vom Ende der Glasfaser 102 durch einen
Spalt 117 beabstandet. Der Spalt 117 dient einerseits dazu, die Entfernung vom teilweise
reflektierenden Ende der Glasfaser 102 in Abhängigkeit vom Druck, der auf den Mem
branbereich 112 wirkt, einzustellen, und dient zum anderen dazu, eine gewisse thermische
Entkopplung vom Membranbereich bzw. vom unteren Bereich des Mantels 111 zu errei
chen.
Während des Betriebs wird aus der Lichtquelle 101 Licht in die Glasfaser 102 eingekoppelt,
wie dies zuvor mit Bezug zur Fig. 1 erläutert wurde, wobei ein Teil des Lichtes am Ende der
Glasfaser 102 reflektiert wird. Das Ende der Glasfaser 102 ist dabei so gestaltet, dass ein
Teil des Lichtes in der Glasfaser 102 reflektiert wird, vorzugsweise in einem Bereich von 30
bis 50%, und das in die Glasfaser einzukoppelndes Licht nur sehr geringfügig reflektiert
wird. Dies kann erreicht werden, indem eine geeignete Metallbedampfung auf das Ende der
Glasfaser 102 aufgebracht wird oder indem Schichten mit abwechselndem Brechungsindex
am Ende der Glasfaser 102 hergestellt werden, wie dies beispielsweise von antireflektie
renden Schichten bekannt ist. Aufgrund des auf dem Membranbereich 112 wirkenden äu
ßeren Druckes stellt sich eine Breite des Spaltes 117 ein, die vom äußeren Druck abhängig
ist. Der Grad der Auslenkung durch den äußeren Druck wird u. a. durch die Art des verwen
deten Materials für den Membranbereich 112, sowie durch die Wandstärke in den Berei
chen 113 bestimmt. Eine geringe Materialstärke in den Bereichen 113 ergibt eine große
Auslenkung bereits bei geringen äußeren Drücken, während mit zunehmender Material
stärke in den Bereichen 113 die Auslenkung abnimmt, die jedoch die Haltbarkeit sowie die
Langzeitstabilität der bei einem gewissen Druck erhaltenen Auslenkung erhöht. Die Breite
des Spaltes 117 wird so eingestellt, dass sie in jedem Fall größer als eine maximale Aus
lenkung des Membranbereichs 112 bei maximalen angelegten äußeren Druck ist. Die
Breite des Spaltes 117 wird auf einem Wert im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 5,5 mm
festgelegt. Vorzugsweise liegt die Spaltbreite im Bereich zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0 mm.
Für eine Zuordnung der Größe der Auslenkung des Membranbereichs 112, also der Ände
rung der Breite des Spaltes 117, zu einem entsprechenden Intensitätswert des interferie
renden Spalts, der in der Glasfaser 102 zurückläuft und mittels des Strahlteilers 107 über
die zweite Glasfaser 108 teilweise der Fotodiode 109 zugeführt wird, bieten sich drei Ver
fahren an.
Erstens durchläuft die Intensität des interferierenden zurücklaufenden Strahls den Bereich
von einem Intensitätsminimum bis zu einem Intensitätsmaximum, wenn sich die Breite des
Spaltes 117 beginnend bei einem mehrfachen der Wellenlänge um ein Viertel der Wellen
länge ändert. Um einen möglichst weiten Verstellbereich zu erreichen, ist es daher günstig,
eine große Wellenlänge zu verwenden, und die anfängliche Breite des Spaltes 117 so zu
justieren, dass sie einem Interferenzmaximum oder einem Interferenzminimum entspricht.
Um bei der Änderung des Spaltes 117 thermische Fluktuationen möglichst zu eliminieren,
ist es bei dieser Ausführungsform vorteilhaft, eine entsprechende Vorrichtung zur Tempe
raturkorrektur vorzusehen, wie sie in einem der folgenden Abschnitte beschrieben wird.
Zweitens kann die Anzahl der bei Änderung der Spaltbreite 117 durchlaufene Intensitätsmi
nima bzw. -maxima mitgezählt und gespeichert werden. Dabei wird vorteilhafter Weise die
maximale Auslenkung groß und die verwendete Wellenlänge möglichst klein gewählt, so
dass eine relativ große Anzahl an Intensitätsmaxima bzw. -minima beim Durchlaufen der
maximalen Auslenkung entsteht. Bei einer verwendeten Wellenlänge von 500 nm und einer
maximalen Auslenkung des Membranbereichs 112 von 50 µm entfallen somit 400 Intensi
tätsmaxima bzw. -minima auf diesen Auslenkungsbereich. Vorteilhaft ist es bei diesen Ver
fahren, dass eine exakte Justierung der Breite des Spaltes 117 nicht notwendig ist. Ferner
ist es mit dieser Anordnung in einfacher Weise möglich, ein Differenzsignal zu erhalten,
wenn lediglich Druckschwankungen zu ermitteln sind, da nur die Differenz der Anzahl der
Intensitätsmaxima und -minima im Vergleich zum vorhergehenden Wert zu ermitteln ist.
Drittens kann ein kombiniertes Verfahren angewendet werden, wobei zum
Einen die Anzahl der Intensitätsmaxima und -minima gezählt wird und des Weiteren die ab
solute Intensität eines Maximums, beispielsweise zu Beginn einer Zählperiode und die ab
solute Intensität eines Maximums, beispielsweise am Ende einer Zählperiode gemessen
wird. Durch Vergleich der beiden gemessenen Intensitätswerte lässt sich die Richtung der
Druckänderung ermitteln. Vorteilhaft dabei ist, dass die beiden Intensitätswerte lediglich
miteinander verglichen werden müssen, um eine Tendenz zu erfassen, und daher keine
exakte quantitative Intensitätsbestimmung notwendig ist. Die unterschiedliche absolute In
tensität der Intensitätsmaxima wird durch die unterschiedliche Intensität der in die Glasfaser
102 eingekoppelten Strahlung hervorgerufen, da sich durch Annähern bzw. Entfernen der
reflektierenden Oberfläche 114 der Raumwinkelbereich für die einzukoppelnde reflektierte
Strahlung ändert, wodurch sich die gesamte in die Glasfaser 102 eingekoppelte Strah
lungsintensität entsprechend der Auslenkung des Membranbereichs 112 ändert. Das dritte
Verfahren wird vorzugsweise dann angewendet, wenn beispielsweise nicht aus dem Funk
tionsablauf, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, auf die Richtung der Druckände
rung geschlossen werden kann. Das dritte Verfahren weist gegenüber herkömmlichen
Verfahren, in denen lediglich die Intensität des zurückreflektierten Strahls gemessen wird,
den Vorteil auf, dass die absolute Intensität des zurückreflektierten Strahls zusätzlich mit
den Interferenzmaxima und -minima mit einer Auflösung von ein Viertel der verwendeten
Wellenlänge, d. h. sowohl die Maxima als auch die Minima werden zur Auswertung heran
gezogen, moduliert ist. Bei nur geringen Druckänderungen, die im Bereich weniger Interfe
renzmaxima und -minima liegen und wobei der Unterschied zwischen der absoluten Inten
sität des zuerst gemessenen Maximums und der absoluten Intensität des zuletzt gemesse
nen Maximums unterhalb des Auflösungsvermögens der Fotodiode 109 liegt, kann zu
nächst die Anzahl der gemessenen Maxima und Minima gespeichert werden und die Rich
tung der Druckänderung wird dann bei Auftreten einer genügend großen Änderung der Ab
solutintensitäten ermittelt. Die zusätzliche Bestimmung der Richtung der Druckänderungen
entsprechend dem dritten Verfahren ist besonders bei Erfassungen von schnellen Druck
schwankungen, die nicht durch den Funktionsablauf der Verbrennungsmaschine vorgegeben
sind, beispielsweise beim Klopfen des Motors, vorteilhaft, da dann die Größe dieser
sporadischen Druckschwankungen mit hoher Auflösung detektierbar ist.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er
findung, wobei Elemente die identisch zu den Ausführungsformen, die mit Bezug zu Fig. 1
und 2 dargestellt wurden, mit den gleichen Bezugszeichen belegt sind. Der Einfachheit hal
ber werden die zu den Ausführungsformen aus den Fig. 1 und 2 identischen Elemente nicht
mehr erläutert. Entsprechend Fig. 3 ist ein weiterer Strahlteiler 120 vorgesehen, der mit ei
ner weiteren Glasfaser 121, die in den Sensorbereich 103 eingeführt ist, verbunden ist. Ein
Strahlteiler 122 verbindet die Glasfaser 122 mit einer weiteren Fotodiode 123.
Beim Betrieb wird das Licht in der Glasfaser 102 durch den Strahlteiler 120 zum Teil in die
Faser 121 eingekoppelt und in den Sensorbereich 120 geführt, in dem es dann reflektiert
und über den Strahlteiler 122 teilweise zu der Fotodiode 123 geführt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt des Sensorbereichs 103, der zusätzlich zu der
Darstellung in Fig. 2 einen starren Referenzbereich 126, ein weiteres Längselement 124 mit
reflektierender Oberfläche 125, das im Wesentlichen identisch zum Element 115 ist, und
einen Spalt 126 zwischen dem Ende der Glasfaser 121, das die gleiche Beschaffenheit wie
das Ende der Glasfaser 102 aufweist, und der reflektierenden Oberfläche 125 aufweist.
Vorzugsweise sind der Membranbereich 112 und der starre Referenzbereich 126 thermisch
gekoppelt, so dass diese Bereiche im Wesentlichen eine identische Temperatur aufweisen.
Während des Betriebs wird Licht in die Faser 121 eingekoppelt, in ähnlicher Weise wie dies
vorher im Zusammenhang mit Glasfaser 102 beschrieben wurde, und ein interferierender
rücklaufender Strahl wird in der Fotodiode 123 nachgewiesen. Da die Beschaffenheit sowie
die Temperatur bzw. der Temperaturverteilung der Elemente 115 und 124 im Wesentlichen
identisch sind, werden Änderungen der Breite des Spaltes 125 aufgrund der auf den faser
optischen Aufnehmer einwirkenden Temperatur als Intensitätsänderung im interferierenden
Strahl in der Fotodiode 123 nachgewiesen. Die Temperatur bedingte Längenänderung von
beispielsweise Eisen liegt bei etwa 12 × 10-6 K-1 so dass bei einer Länge von etwa 5 mm für
das Element 124 bei einer Temperatur von etwa 600°C, wie sie für Verbrennungsmotoren
durchaus üblich ist, eine Längenänderung von etwa 36 µm zu erwarten ist. Das Signal der
Fotodiode 123, vorzugsweise also die Anzahl der Interferenzmaxima und -minima, kann
verwendet werden, um eine entsprechende Temperaturkorrektur an dem Signal der Foto
diode 109 durchzuführen.
Um mit der Anordnung aus Fig. 4 ebenfalls eine Absoluttemperaturmessung durchführen
zu können, und um die Richtung von Temperaturänderungen bestimmen zu können, kann
ebenfalls das zuvor im Zusammenhang mit der Druckmessung beschriebene dritte Verfah
ren angewendet werden. Um jedoch relativ keine Temperaturschwankungen bestimmen zu
können, ist es vorteilhaft, entlang der Oberfläche eines Teils des Elements 124 ein unter
schiedliches Material mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten anzubringen,
so dass sich eine leichte mechanische Verspannung bei der temperaturbedingten Ausdeh
nung des Elements 124 ergibt, die zu einer Änderung des Einfallswinkels auf die reflektie
rende Oberfläche 125 und damit zu einer deutlichen Änderung der in die Glasfaser 121
eingekoppelten Intensität führt. Dadurch ergibt sich eine stärkere temperaturbedingte Ab
hängigkeit von der Absolutintensität des interferierenden Strahls, so dass die Richtung der
Temperaturänderung bereits für wenige gezählte Interferenzmaxima und -minima bestimm
bar ist. Durch geeignete Kalibrierung kann damit ein Absolutwert für Temperaturschwan
kungen ermittelt werden, wobei die zeitliche Auflösung einer Temperaturschwankung durch
die Zeit bestimmt ist, die zum Erreichen eines Temperaturgleichgewichts zwischen dem mit
dem starren Referenzbereich gekoppelten Element 124 und dem äußeren auf dem starren
Bereich 126 einwirkenden Medium erreicht ist.
Mit Bezug zu Fig. 5 wird im Folgenden ein faseroptischer Temperaturaufnehmer beschrie
ben, der geeignet ist, Absoluttemperaturen zu ermitteln. Fig. 5 zeigt schematisch einen
Querschnitt eines Sensorkopfs 500 mit einer Temperatursensorfläche 501, die in einem
Gehäuse 502 gehaltert ist. An dem der Sensorfläche 501 gegenüberliegenden Ende des
Gehäuses 502 ist eine Öffnung vorgesehen, durch die eine ummantelte Glasfaser 503 eingeführt
ist. Die Glasfaser 503 weist an dem der Sensorfläche 501 zugewandtem Ende ein
optisches Element 504 auf. Vorzugsweise ist der Sensorkopf 500 so gestaltet, dass die
Sensorfläche 501 und die Glasfaser 503 hermetisch dicht mit dem Gehäuse 502 verbun
den sind. Das andere, nicht gezeigte Ende der Glasfaser 503 ist optisch mit mit einem De
tektor, etwa einer Fotodiode, verbunden. Das optische Element 504 ist so gestaltet, dass
lediglich die von der Sensorfläche 501 emittierte Strahlung in die Glasfaser gebündelt wird.
Bei geeigneter Ausgestaltung des Sensorkopfes 500 kann gegebenenfalls auf das optische
Element 504 verzichtet werden, wobei dann die numerische Apertur der Glasfaser 503 so
zu wählen ist, dass ein wesentlicher Teil der von der Sensorfläche 501 emittierten Strahlung
in die Glasfaser 503 eingekoppelt wird. Dies kann durch Wahl eines geeigneten Faser
durchmessers, sowie einen geeigneten Sensorflächendurchmesser und einem entspre
chenden Abstand zwischen der Sensorfläche 501 und dem Ende der Glasfaser 503 er
reicht werden.
Während des Betriebs des faseroptischen Temperaturaufnehmers wird der Sensorkopf 500
so angebracht, dass zumindest die Außenseite der Sensorfläche 501 in thermischen Kon
takt mit dem zu messenden Medium, beispielsweise im Gas in einem Verbrennungsraum
eines Motors, ist. Die Sensorfläche 501 nimmt dabei im Wesentlichen die gleiche Tempe
ratur wie das zu messende Medium an, und emittiert infolge dessen ein für die Temperatur
und die Oberflächenbeschaffenheit der Sensorfläche 501 entsprechendes Strahlungsspekt
rum. Um das Emissionsverhalten der Sensorfläche 501 möglichst zu optimieren, kann die
der Glasfaser 503 zugewandte Oberfläche geschwärzt sein. Ein großer Teil der von der
Sensorfläche 501 emittierten Strahlung wird in die Faser 503, beispielsweise über das opti
sche Element 504, eingekoppelt und an die nicht gezeigte Fotodiode weitergeleitet. Der an
der Diode ankommende Wellenlängenbereich der von der Sensorfläche 501 emittierten
Strahlung ist durch das Absorptionsverhalten der Glasfaser 503 bestimmt und ist somit bei
der Auswertung zu berücksichtigen. Ferner ist bei der Auswertung des Signals die Empfind
lichkeit des verwendeten optischen Detektors, beispielsweise einer Fotodiode, zu berück
sichtigen. Mittels einer geeigneten Kalibrierung lässt sich anhand der über den übertragenen
Wellenlängenbereich integrierten Intensität die zugehörige Temperatur der Sensorflä
che 501 ermitteln.
In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform ist eine zweite Glasfaser im Sensorkopf
500 vorgesehen, die im Wesentlichen die gleiche Länge und Beschaffenheit aufweist wie
die Glasfaser 503. Ferner ist das der Sensorfläche 501 zugewandte Ende der zweiten
Glasfaser vollständig verspiegelt, so dass im Wesentlichen in dem interessierenden Wel
lenlängenbereich keine Strahlung von der Sensorfläche 501 in die zweite Glasfaser einge
koppelt wird. Die zweite Glasfaser ist mit einer weiteren vorzugsweise baugleichen Fotodio
de verbunden, so dass an der weiteren Fotodiode ein entsprechendes Referenzsignal er
mittelt werden kann, das im Wesentlichen die Einflüsse repräsentiert, die nicht durch die
von der Sensorfläche 501 emittierten Strahlung herrühren. Auf diese Weise kann in effi
zienterweise das durch die Glasfaser 503 übertragene Signal mit dem Referenzsignal kor
rigiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind zwei Glasfasern vorgesehen, in die über jeweils
wellenlängensensitive Elemente Strahlung, die von der Sensorfläche 501 emittiert wird, mit
jeweils unterschiedlicher Wellenlänge in jeweils die beiden Glasfasern eingekoppelt wird.
Beispielsweise kann die Wellenlängenselektivität durch Bereitstellen zweier unterschiedli
cher Einzelmodenfasern bewerkstelligt werden. Die in den beiden Glasfasern transportierte
Strahlung wird zwei Fotodioden zur Auswertung zugeführt, wobei dann durch Bilden eines
Verhältnisses der beiden Intensitäten die Temperatur der Sensorfläche 501 ermittelt wer
den kann.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Größe der Sensorfläche 501
sowie deren Materialart und Materialdicke so gewählt, dass für den Einsatzzweck geeignete
thermische Relaxationszeiten sowie eine mechanisch ausreichende Stabilität gewährleistet
ist. Bei besonders exponierten Systemen, wie dies beispielsweise bei Temperaturmessun
gen in einem Verbrennungsraum eines Motors der Fall ist, wird vorzugsweise eine Sensor
fläche mit kleinem Durchmesser verwendet, so dass bereits eine geringe Materialstärke für
eine hohe mechanische Stabilität ausreichend ist. Ferner ist es vorteilhaft, die Sensorfläche
501 mittels einem thermisch isolierendem Dichtmaterial in das Gehäuse des Sensorkopfes
einzupassen, um damit eine schnelles Erreichen des Temperaturgleichgewichts zwischen
der Sensorfläche und dem zu messenden Medium zu ermöglichen. Weiterhin ist es vorteil
haft, die Glasfaser bzw. die Glasfasern beabstandet von der Sensorfläche vorzusehen, um
eine gewisse thermische Entkoppelung des Faserendes von der hohen Motortemperatur zu
erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, ein bündelndes optisches Element vorzusehen, das ei
nen Brennpunkt in der Nähe der Sensoroberfläche und einen zweiten Brennpunkt im Inne
ren der Glasfaser bzw. Glasfasern aufweist. Durch diesen Aufbau ist einerseits ein Messen
rascher Temperaturänderungen möglich, und andererseits wird ein mechanisch langlebiger
Aufbau gewährleistet, da insbesondere die Glasfaser in einem Bereich angeordnet werden
kann, in dem die Temperatur bereits deutlich kleiner ist als an der exponierten Sensorflä
che.
Fig. 6 zeigt schematisch ein System zur Überwachung von Druck und Temperatur unter
Verwendung von mindestens einem faseroptischen Druckaufnehmer und mindestens ei
nem faseroptischen Temperaturaufnehmer. In Fig. 6 sind die Glasfasern von mehreren fa
seroptischen Druckaufnehmern 2 mit einer optoelektronischen Auswerteelektronik 1 ver
bunden. Ferner sind die Glasfasern von mehreren faseroptischen Temperaturaufnehmern
3 ebenfalls mit der optoelektronischen Auswerteelektronik 1 verbunden. Vorzugsweise sind
die optischen Detektoren für die einzelnen faseroptischen Druckaufnehmer und faseropti
schen Temperaturaufnehmer in der optoelektronischen Auswerteelektronik 1 integriert.
Vorzugsweise umfasst die optoelektronische Auswerteelektronik 1 eine Differenzierstufe,
die in der Lage ist, Intensitätsmaxima und -minima zu erkennen und eine entsprechende
Zählereinheit anzusteuern. Ferner umfasst die Auswerteelektronik 1 einen Bereich zur Er
fassung der Intensitätsabsolutwerte der Druck- und Temperaturaufnehmer. Insbesondere
verfügt die Auswerteelektronik vorteilhafterweise über eine Schaltung zum Vergleichen
zweier Intensitätssignale, beispielsweise in der Form eines Komparators, so dass sich das
zuvor mit Bezug zu dem faseroptischen Druckaufnehmer beschriebene kombinierte Verfah
ren durchführen lässt.
Die Auswerteelektronik 1 kann ferner vorzugsweise mittels einer Datenleitung 5 mit einer
Prozessoreinheit verbunden sein, wobei die Auswerteelektronik 1 die Daten bevorzugter
Weise in eine digitale Form umwandelt und in digitaler Form der Prozessoreinheit zur Ver
fügung stellt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist sowohl eine Prozessor
einheit als auch eine Speichereinheit in der Auswerteelektronik 1 vorgesehen, um damit in
effizienter Weise die oben beschriebenen zur Ermittlung von Druck- und Temperaturwerten
notwendigen Verfahren ausführen zu können. Die Arbeitsgeschwindigkeit moderner Mikro
prozessoren bzw. Mikrokontroller ist dabei ausreichend, um Druck- und Temperaturwerte in
Zeitintervallen erfassen zu können, die ausreichen, um beispielsweise das Klopfen in
Verbrennungsmotoren oder lokale Temperaturunterschiede während des Verbrennungs
vorgangs detektieren zu können. Ferner können in dem Speicher Kalibrierwerte oder Kalib
rierfunktionen bzw. Anweisungen zum Ausführen geeigneter Kalibrierroutinen gespeichert
sein. Ferner kann die Speichereinheit Informationen über die Betriebsweise des zu überwa
chenden Systems enthalten, die für die Bestimmung der Druckwerte verwendet werden. So
ist es beispielsweise möglich bei einem Verbrennungsvorgang die Änderung des Drucks
aus den gespeicherten Informationen und dem augenblicklichen Zustand, erkennbar bei
spielsweise aus der Lage des Kolbens, zu ermitteln, so dass die Anzahl der gezählten In
terferenzmaxima und Minima für die Festlegung des Druckwertes genügt.
Claims (35)
1. Faseroptischer Druckaufnehmer zur Verwendung in einem System zur Überwa
chung von Druck- und/oder Temperaturbedingungen in exponierten Systemen, ins
besondere in Verbrennungsräumen von Wärmekraftmaschinen, mit
einem ummantelten Sensorbereich (103), der in einem Verbrennungsraum einführ bar ist, wobei der ummantelte Sensorbereich einen auf Druck reagierenden Memb ranbereich (112) aufweist,
einer Glasfaser (102), die in hermetisch versiegelterweise in den Sensorbereich (103) eingeführt ist und ein erstes Ende aufweist, das mit einer reflektierenden O berfläche (114) des Membranbereichs über einen die Glasfaser (102) und den Membranbereich (112) mechanisch entkoppelnden Spalt (117) mit einer vom Druck abhängigen Spaltbreite in optischen Kontakt bringbar ist,
einer Lichtquelle (101), die ausgebildet ist, Licht in ein zweites Ende der Glasfaser (102) einzukoppeln,
einem Strahlteiler (107), der mit der Glasfaser und einer zweiten Glasfaser (108) gekoppelt und ausgebildet ist, von der reflektierenden Oberfläche (114) in die Glas faser (102) reflektiertes Licht teilweise von der Glasfaser (112) in die zweite Glasfa ser (108) zu lenken, und
einem mit der zweiten Glasfaser (114) gekoppelten optischen Detektor (109),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein von der reflektierenden Oberfläche (114) reflektierter Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Spaltbreite mit einem Referenzlichtstrahl zur Interferenz bringbar ist, wobei die Intensität des interferierenden Strahls im optischen Detektor (109) nachweisbar ist.
einem ummantelten Sensorbereich (103), der in einem Verbrennungsraum einführ bar ist, wobei der ummantelte Sensorbereich einen auf Druck reagierenden Memb ranbereich (112) aufweist,
einer Glasfaser (102), die in hermetisch versiegelterweise in den Sensorbereich (103) eingeführt ist und ein erstes Ende aufweist, das mit einer reflektierenden O berfläche (114) des Membranbereichs über einen die Glasfaser (102) und den Membranbereich (112) mechanisch entkoppelnden Spalt (117) mit einer vom Druck abhängigen Spaltbreite in optischen Kontakt bringbar ist,
einer Lichtquelle (101), die ausgebildet ist, Licht in ein zweites Ende der Glasfaser (102) einzukoppeln,
einem Strahlteiler (107), der mit der Glasfaser und einer zweiten Glasfaser (108) gekoppelt und ausgebildet ist, von der reflektierenden Oberfläche (114) in die Glas faser (102) reflektiertes Licht teilweise von der Glasfaser (112) in die zweite Glasfa ser (108) zu lenken, und
einem mit der zweiten Glasfaser (114) gekoppelten optischen Detektor (109),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein von der reflektierenden Oberfläche (114) reflektierter Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Spaltbreite mit einem Referenzlichtstrahl zur Interferenz bringbar ist, wobei die Intensität des interferierenden Strahls im optischen Detektor (109) nachweisbar ist.
2. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Ende der Glasfaser einen teildurchlässigen Reflektor aufweist, so
dass ein Teil des Lichts als der Referenzstrahl an dem ersten Ende reflektiert wird.
3. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der teildurchlässige Reflektor eine Metallbedampfung aufweist.
4. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der teildurchlässige Reflektor mehrere Schichten mit unterschiedlichem Bre
chungsindex umfasst.
5. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine dritte Glasfaser vorgesehen ist, die an den Strahlteiler gekoppelt ist, um
Licht aus der Lichtquelle zu empfangen, wobei die dritte Glasfaser ein vollständig re
flektierendes Ende aufweist, um damit den Referenzstrahl zu erzeugen.
6. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Glasfaser und die dritte Glasfaser im Wesentlichen die gleiche Länge
und die gleiche Beschaffenheit aufweisen.
7. Der faseroptische Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche des Membranbereichs einen
bei Druckänderung im Wesentlichen formbeständigen Teilbereich umfasst.
8. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der formbeständige Teilbereich ein erhabenes längliches Element aufweist,
das ein Material geringer thermischer Leitfähigkeit umfasst und eine der Glasfaser
zugewandte reflektierende Oberfläche aufweist.
9. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass das erhabene längliche Element im Sensorbereich geführt ist, so dass bei
Druckänderung eine geführte Bewegung in Längsrichtung des Elements auftritt.
10. Der faseroptische Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensorbereich im Wesentlichen zylindrisch geformt ist
und ein geschlossenes unteres Ende als Membranbereich und ein oberes Ende mit
einer Öffnung zum Einführen der Glasfaser aufweist.
11. Der faseroptische Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spaltbreite im Bereich von 0,1 bis 1 mm liegt.
12. Der faseroptische Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spaltbreite im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm liegt.
13. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge in Längsrichtung des länglichen Elements größer oder gleich 5 mm
ist.
14. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine optische Temperaturmessfaser und ein starrer Referenzbereich mit einer
reflektierenden zur optischen Temperaturmessfaser hin zeigenden reflektierenden
Oberfläche vorgesehen sind, wobei zwischen der reflektierenden Oberfläche des
starren Referenzbereichs und der Temperaturmessfaser ein Spalt ausgebildet ist,
und wobei Licht aus der Lichtquelle in die Temperaturmessfaser eingekoppelt wird
und an der reflektierenden Oberfläche des Referenzbereichs reflektiertes Licht mit
einem zweiten Referenzstrahl interferiert.
15. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter optischer Detektor in optische Kommunikation mit der Temperatur
messfaser vorgesehen ist.
16. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 151 dadurch gekennzeichnet,
dass das Ende der Temperaturmessfaser einen teildurchlässigen Reflektor aufweist,
so dass ein Teil des Lichts als der zweite Referenzstrahl an dem Ende reflektiert
wird.
17. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass der teildurchlässige Reflektor eine Metallbedampfung aufweist.
18. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass der teildurchlässige Reflektor mehrere Schichten mit unterschiedlichen Bre
chungsindex umfasst.
19. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass eine vierte Glasfaser vorgesehen ist, die an einen Strahlteiler gekoppelt ist, um
Licht aus der Lichtquelle zu empfangen, wobei die vierte Glasfaser ein vollständig
reflektierendes Ende aufweist, um damit den zweiten Referenzstrahl zu erzeugen.
20. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturmessfaser und die vierte Glasfaser im Wesentlichen die gleiche
Länge und die gleiche Beschaffenheit aufweisen.
21. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass der starre Referenzbereich ein erhabenes längliches Element mit einer reflek
tierenden, der Temperaturmessfaser zugewandten Oberfläche aufweist.
22. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 21 und Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das erhabene längliche Element des Membranbereichs im
Wesentlichen identisch zu dem erhabenen länglichen Element im Referenzbereich
ist.
23. Der faseroptische Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Glasfaser und die zweite Glasfaser einen nach außen
graduell abnehmenden Brechungsindex aufweisen.
24. Faseroptischer Temperaturaufnehmer zur Verwendung in einem System zur Über
wachung von Druck- und/oder Temperaturbedingungen in exponierten Systemen,
insbesondere in Verbrennungsräumen von Wärmekraftmaschinen, mit einem Sen
sorkopf (504), in dem zumindest eine ummantelte Glasfaser (503) eingeführt ist,
wobei ein Ende der Faser zu einer Temperatursensorfläche (501) des Sensorkopfes
(504) zur Aufnahme von Strahlung gerichtet ist und wobei das andere Ende der
Glasfaser (503) mit einer Fotodiode in optischer Verbindung steht, die in die Glasfa
ser (503) eingekoppelte Strahlung nachweist.
25. Der faseroptische Druckaufnehmer nach Anspruch 24, wobei das zur Sensorfläche
gerichtete Ende der Glasfaser ein optisches Element zur Vergrößerung der numeri
schen Apertur, der Glasfaser aufweist.
26. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach Anspruch 24 oder 25, wobei der
Sensorkopf das Ende der Glasfaser hermetisch umschließt.
27. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wo
bei eine äußere Oberfläche der Sensorfläche mit dem zu messenden Medium in
thermischen Kontakt bringbar ist und wobei eine innere Oberfläche der Sensorfläche
geschwärzt ist.
28. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wo
bei die Sensorfläche mit thermisch isolierendem Dichtmaterial an dem Sensorkopf
angebracht ist.
29. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wo
bei ein Abstand zwischen dem Ende der Glasfaser und der Sensorfläche vorgese
hen und so bemessen ist, dass die numerische Apertur im Wesentlichen nur mit von
der Sensorfläche emittierter Strahlung gefüllt ist.
30. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wo
bei die Empfindlichkeit des optischen Detektors im Wellenlängenbereich von 4000 nm
bis 400 nm liegt.
31. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wo
bei das dem optischen Detektor zugewandte Ende der Glasfaser ein optisches
strahlaufweitendes Element umfasst, und wobei der optische Detektor mindestens
zwei Fotodioden mit unterschiedlichem Wellenlängenbereich in der Empfindlichkeit
aufweist.
32. Der faseroptische Temperaturaufnehmer nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wo
bei eine zweite Glasfaser vorgesehen ist, die im Wesentlichen die gleiche Länge
und Beschaffenheit wie die Glasfaser aufweist und benachbart zu dieser angeordnet
ist, wobei das zur Sensorfläche gerichtete Ende der zweiten Glasfaser verspiegelt
ist, so dass im Wesentlichen keine Strahlung von der Sensorfläche eingekoppelt
wird, und wobei das andere Ende mit einem zweiten optischen Detektor in Verbin
dung steht.
33. System zur Überwachung von Druck- und/oder Temperatur in exponierten Syste
men, insbesondere in Verbrennungsräumen von Wärmekraftmaschinen, mit einem
faseroptischen Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und/oder min
destens einem faseroptischen Temperaturaufnehmer (3) nach einem der Ansprüche
24 bis 32, und eine Auswerteelektronik (1), die die Signale des faseroptischen
Druckaufnehmers (2) und/oder des faseroptischen Temperaturaufnehmers (3)
empfängt und aus diesen Signalen Werte für Druck- und/oder Temperatur ermittelt.
34. Das System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelekt
ronik die Intensität des Signals ermittelt und ausgebildet ist, die Anzahl der Intensi
tätsmaxima und -minima in einem vorbestimmten Zeitintervall erfasst.
35. Verfahren zur interferometrischen Messung eines Drucks in einer exponierten Um
gebung, insbesondere in einem Verbrennungsraum einer Wärmekraftmaschine, mit
den Schritten:
Bereitstellen eines Druckaufnehmers mit einem Sensorbereich mit einem auf Druck reagierenden Membranbereich, in den eine Glasfaser eingeführt ist, und wobei die Glasfaser von dem Membranbereich, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, durch einen Spalt beabstandet ist,
Bereitstellen einer mit dem anderen Ende der Glasfaser gekoppelter monochromati schen Lichtquelle und eines Strahlteiles, der von der reflektierenden Oberfläche in die Glasfaser zurückgekoppeltes Licht zumindest teilweise über eine zweite Glasfa ser in einen optischen Detektor lenkt,
Bereitstellen eines aus der Lichtquelle gewonnenen Referenzstrahles, wobei der Referenzstrahl mit dem zurücklaufenden reflektierten Lichtstrahl überlagert und zur Interferenz gebracht wird, wobei eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Lichtstrahl von der Auslenkung des Membranbereichs abhängt,
Auswerten des Signals des optischen Detektors in einer Auswerteelektronik, wobei die Auswerteelektronik ausgebildet ist, sowohl ein Interferenzmaximum als auch ein Interferenzminimum sowie die Absolutintensität zu erfassen, und wobei die Auswer teelektronik die Anzahl der Interferenzmaxima und -minima in einem vorbestimmten Zeitintervall zählt, und die Absolutintensität zweier zeitlich beabstandeter Intensi tätsmaxima vergleicht, um damit die Richtung der Auslenkung des Membranbe reichs zu ermitteln.
Bereitstellen eines Druckaufnehmers mit einem Sensorbereich mit einem auf Druck reagierenden Membranbereich, in den eine Glasfaser eingeführt ist, und wobei die Glasfaser von dem Membranbereich, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, durch einen Spalt beabstandet ist,
Bereitstellen einer mit dem anderen Ende der Glasfaser gekoppelter monochromati schen Lichtquelle und eines Strahlteiles, der von der reflektierenden Oberfläche in die Glasfaser zurückgekoppeltes Licht zumindest teilweise über eine zweite Glasfa ser in einen optischen Detektor lenkt,
Bereitstellen eines aus der Lichtquelle gewonnenen Referenzstrahles, wobei der Referenzstrahl mit dem zurücklaufenden reflektierten Lichtstrahl überlagert und zur Interferenz gebracht wird, wobei eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Lichtstrahl von der Auslenkung des Membranbereichs abhängt,
Auswerten des Signals des optischen Detektors in einer Auswerteelektronik, wobei die Auswerteelektronik ausgebildet ist, sowohl ein Interferenzmaximum als auch ein Interferenzminimum sowie die Absolutintensität zu erfassen, und wobei die Auswer teelektronik die Anzahl der Interferenzmaxima und -minima in einem vorbestimmten Zeitintervall zählt, und die Absolutintensität zweier zeitlich beabstandeter Intensi tätsmaxima vergleicht, um damit die Richtung der Auslenkung des Membranbe reichs zu ermitteln.
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DE2000157607 DE10057607A1 (de) | 2000-11-21 | 2000-11-21 | Faseroptische Druck-und Temperaturaufnehmer und System zur Überwachung von Druck und/oder Temperatur |
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