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Die Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung zur quantitativen Bestimmung eines Benetzungsgrades der Oberfläche ihres Sensorkopfes. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann unter Ausnutzung der Änderung des Brechungsindex des verwendeten Materials ebenso zur Temperaturmessung verwendet werden.
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Optische Verfahren zur Bestimmung der Benetzung einer definierten Oberfläche, die Gebrauch von einem Sensorelement mit Lichtwellenleiter machen und auf dem Prinzip der Lichtbrechung beruhen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich erfolgt bei diesen Verfahren die Bestimmung der Benetzung einer Oberfläche aus der Intensitätsänderung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Licht, wobei die Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit der Lichtbrechung an der benetzten Oberfläche steht.
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So betreffen die
GB 2076960 B und
EP-B-450175 Vorrichtungen zur Füllstandsanzeige in Behältern, bei denen das an den Sensorkopf herangeführte Licht mit Hilfe einer plankonvexen Linse parallel gerichtet wird, um das Licht durch ein kreiszylindrisches Element ohne Reflexion entlang der Zylinderwand einer kegelförmigen Grenzfläche zuzuführen, an der das Licht reflektiert und wiederum parallel entlang der Zylinderwand zur Plankonvelinse zurückgeführt wird, von der es gebündelt und von einem Lichtempfänger fast vollständig erfasst wird. Im Fall einer Benetzung der kegelförmigen Grenzfläche wird das Licht an der Grenzfläche abgelenkt und die Intensität des am Lichtempfänger erfassten Lichts ändert sich und zeigt eine Oberflächenbefeuchtung der Grenzfläche an.
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Die
DE-10041729 A1 beschreibt einen Regentropfen-Sensor für eine Steuervorrichtung eines Fahrzeugscheibenwischers. Dieser Sensor weist einen plankonvexen Linsenabschnitt und einem Prismenkörper auf. Auch bei dieser Vorrichtung wird das eingebrachte Licht durch eine Plankonvexlinse parallel gerichtet und in einem definierten Winkel der Messfläche zugeführt, an der es im Fall einer Totalreflexion einer zweiten Plankonvexlinse zugeführt wird, die das einfallende Licht bündelt und von einer Lichtempfängereinheit erfasst wird.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Anordnungen weisen eine Reihe von ähnlichen Merkmalen auf. Der eingekoppelte Licht muss durch eine Plankonvexlinse dermaßen gerichtet werden, dass es in einem Winkel von annähernd 45° auf die Oberfläche der Messebene trifft, um damit im Fall einer Totalreflexion von dieser Oberfläche unter dem gleichen Winkel reflektiert zu werden. Daher ist die Ausrichtung der Linsen in Bezug zu der Grenzfläche von großer Bedeutung, um eine ausreichende Empfindlichkeit des Sensors zur Messung einer einsetzendem Befeuchtung zu erzielen. Die kompakte Bauausführung sowie die Größe des Sensors sind bedingt durch die Anzahl von Bauteilen und durch deren definierte Anordnung zueinander eingeschränkt.
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Den im Stand der Technik bekannten Sensorsystemen ist jedoch auch gemeinsam, dass sie bauartbedingt eine Empfindlichkeit aufweisen, die nicht immer ausreichend ist.
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Weiter ist aus der
US 5 946 084 A eine optische Sensorvorrichtung bekannt, mit einer Lichtquelle, einer mit der Lichtquelle verbundenen Lichtsendefaser, einer Lichtempfangsfaser und einem mit der Lichtempfangsfaser verbundenen Lichtdetektor, sowie einem mit Lichtsendefaser und Lichtempfangsfaser verbundenen optisch transparenten Sensorkopf mit einer Außenfläche, von der in dem Sensorkopf ein erster hohlförmiger Grenzflächenbereich und ein zweiter hohlförmiger Grenzflächenbereich gebildet wird, wobei die Grenzflächenbereiche so ausgebildet und angeordnet sind, dass von dem ersten Grenzflächenbereich das über die Lichtsendefaser in das Sensorelement eingekoppelte Licht auf den zweiten Grenzflächenbereich reflektiert wird und von dem zweiten Grenzflächenbereich ein Teil des reflektierten Lichts in die Lichtempfangsfaser ausgekoppelt wird. Eine ähnlich ausgebildete Sensorvorrichtung ist aus der
GB 2 212 913 A und ein ähnlich ausgebildeter Koppler zum Koppeln zweier Lichtleiter ist aus der
US 4 441 784 A bekannt.
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Die
US 2002/0051303 A1 beschreibt ebenfalls einen optischen Kuppler zum Koppeln zweier Lichtleiter, wobei der optische Koppler eine Außenfläche aufweist, von der in dem Sensorkopf eine erste hohlgewölbte Grenzfläche und eine zweite hohlgewölbte Grenzfläche gebildet wird.
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Aus der
US 4 422 714 A ist eine optische Kopplungsvorrichtung bekannt, in der zumindest zwei Lichtleiter gekoppelt werden können.
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Die
US 2004/0004456 A beschreibt eine automatische Kontrolleinrichtung zum Säubern einer flachen Oberfläche.
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Die
DE 2 645 997 A1 beschreibt eine Temperaturmesseinrichtung, welche mittels eines prismaförmigen Temperaturfühlers die Temperatur über den Brechungsindex ermittelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Sensorvorrichtung zu schaffen, die sich durch einen kompakten und miniaturisierten Aufbau auszeichnet, sich kostengünstig in hohen Stückzahlen herstellen und fertigen lässt und zudem eine hohe Messempfindlichkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Sensorvorrichtung mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung basiert auf den grundsätzlichen Prinzipien der Optik. Als physikalisches Messprinzip wird die Änderung des Brechungswinkels an einer Grenzfläche infolge Benetzung der Oberfläche mit Flüssigkeitsmolekülen verwendet. Diese Grenzfläche ist erfindungsgemäß als Kontaktfläche zwischen dem Sensorkopf und der den Sensorkopf umgebenden Luft definiert.
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Die erfindungsgemäße faseroptische Sensorvorrichtung zur quantitativen Bestimmung eines Benetzungsgrades der Oberfläche ihres Sensorkopfes weist eine Lichtquelle, eine mit der Lichtquelle verbundene Lichtsendefaser, eine Lichtempfangsfaser und einen mit der Lichtempfangsfaser verbundenen Lichtdetektor auf und der mit Lichtsendefaser und Lichtempfangsfaser verbundene optisch transparente Sensorkopf weist eine Außenfläche auf, von der in dem Sensorkopf eine erste hohlgewölbte Grenzfläche Ar und eine zweite hohlgewölbte Grenzfläche Al gebildet wird, wobei die Grenzflächen Ar und Al so ausgebildet und angeordnet sind, dass von der ersten hohlgewölbten Grenzfläche Ar das über die Lichtsendefaser in das Sensorelement eingekoppelte Licht auf die zweite hohlgewölbte Grenzfläche Al reflektiert wird und von der zweiten hohlgewölbten Grenzfläche Al das reflektierte Licht in die Lichtempfangsfaser auskoppelt wird, wobei der Sensorkopf eine zusätzliche mit dem Sensorkopf optisch gekoppelte Lichtempfangsfaser aufweist, die so angeordnet ist, dass sie auf die Außenfläche des Sensorkopfes auftreffendes Hintergrundlicht einkoppelt und nicht auf die hohlgewölbten Grenzflächen ausgerichtet ist und wobei die Lichtsendefaser und die Lichtempfangsfaser sowie die Grenzflächen so zueinander im Messkopf angeordnet und bemessen sind, dass die eingangsseitig eingekoppelte Lichtmenge im unbenetzten Zustand bei einer Bezugstemperatur vollständig in die Lichtempfangsfaser ausgekoppelt wird.
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Im betauungsfreien Zustand wird das von der Lichtsendefaser in den Sensorkopf eingekoppelte Licht aufgrund der geometrischen Gestaltung des Sensorkopfes zur Lichtempfangsfaser reflektiert und kann unter Vernachlässigung der Streuverluste nahezu vollständig detektiert werden.
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Bei einsetzender Betauung wird das eingekoppelte Licht nicht mehr vollständig von dem Sensorkopf reflektiert, sondern an der Grenzfläche teilweise gebrochen und aus dem Sensorkopf nach außen abgestrahlt. Dabei nimmt die an der Lichtempfangsfaser ankommende Lichtintensität ab und zeigt eine einsetzende Betauung der Oberfläche des Sensorkopfes an.
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Eine die von der Lichtempfangsfaser empfangene Lichtintensität beeinflussende Hintergrundstrahlung kann messtechnisch durch eine zusätzliche Lichtempfangsfaser des Lichts erfasst werden. Hierdurch steigt die Genauigkeit der Messung und eine quantitative Bestimmung eines Benetzungsgrades wird damit ermöglicht.
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Der beschriebene Aufbau kann gleichzeitig im betauungsfreien Zustand zur Temperaturmessung verwendet werden. Auch hierfür wird das Prinzip der Änderung der optischen Eigenschaften des Materials des Sensorelementes in Abhängigkeit von der Temperatur verwendet. Die Temperaturänderung wird hierbei aufgrund der Änderung des Grenzwinkels für die Totalreflexion gemessen, wobei wiederum die Intensitätsänderung des eingebrachten und des empfangenen Lichts bestimmt wird. Bei einsetzender Betauung kann hierdurch die Taupunkttemperatur ermittelt werden, woraus sich dann wiederum die relative Feuchte bestimmen lässt.
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Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Sensorelement durch einen miniaturisierten Aufbau aus, das keine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Prüfling eingeht und daher auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform eines Sensorelements der Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung, das in der beigefügten einzigen Figur dargestellt und wird im Verlauf der Figurbeschreibung detailliert beschrieben.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelementes 12 mit einer Lichtsendefaser 9, einer ersten Lichtempfangsfaser 10, einer zweiten Lichtempfangsfaser 11 und mit einem Sensorkopf 13. Zusätzlich ist das von der Lichtsendefaser 9 in den Sensorkopf 13 eingekoppelte Licht 2 mit den Randstrahlen 1 und 3 sowie dessen reflektierter Strahlengang 5 mit den Randstrahlen 4 und 6 eingezeichnet. Nicht dargestellt in 1 ist die Lichtquelle, die mit der Lichtsendefaser verbunden ist. Ebenso sind die beiden Detektoren in 1 nicht dargestellt, die mit der ersten bzw. der zweiten Lichtempfangsfaser verbunden sind.
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Das in 1 dargestellte Sensorelement 12 weist einen bevorzugt einstückig hergestellten Sensorkopf 13 auf, an dem eine Lichtsendefaser 9 und eine Lichtempfangsfaser 10 angeordnet sind. Die Lichtsendefaser 9 verbindet den Sensorkopf 13 mit einer in 1 nicht dargestellten Lichtquelle. Die Lichtempfangsfaser 10 verbindet den Sensorkopf 13 mit einem Detektor, der in 1 nicht dargestellt ist. Der Sensorkopf 13 besteht hierbei aus einem optisch transparenten Material, wie z. B. einem polymeren Kunststoff wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Glas, das bevorzugt einen Brechungsindex von ns > 1 aufweist. Vorzugsweise soll der Brechungsindex ns des Sensorkopfes 13 so gewählt werden, dass er mit der Kernbrechzahl des verwendeten Lichtwellenleiters (Lwl) der Lichtsendefaser 9 und Lichtempfangsfaser 10 identisch ist.
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Die Größe des bevorzugt einstückig hergestellten Sensorelementes 12 wird in Abhängigkeit von dem Öffnungswinkel des in das Sensorelement eintretenden Lichtes, des Abstandes zu den hohlgewölbten Grenzflächen Ar und Al der hohlgewölbten Außenfläche des Sensorkopfes 13 als Kontaktfläche des Sensorkopfes zur äußeren Umgebung und des Durchmessers des verwendeten Lichtwellenleiters bestimmt. Ein miniaturisierter Aufbau des Sensorkopfes 13 der gezeigten Ausführungsform kann somit eine Größe mit einem Sensorvolumen der Größenordnung von 3·3·3 mm3 aufweisen.
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Die Lichtsendefaser 9 und die Lichtempfangsfaser 10 sowie die Grenzflächen Ar und Al sind so zueinander im Sensorkopf 13 angeordnet und bemessen, dass die eingangsseitig eingekoppelte Lichtmenge im unbetauten Zustand bei einer Bezugstemperatur ϑ0 so vollständig wie möglich, d. h. nur mit zu nicht vermeidenden Streuverlusten, im Sensorkopf 13 an den Grenzflächen Ar und Al reflektiert und in die Lichtempfangsfaser 10 ausgekoppelt wird.
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Das Licht wird hierbei von einer in 1 nicht dargestellten Lichtquelle erzeugt und über eine Lichtsendefaser 9 in das Sensorelement 12 eingekoppelt. Erfindungsgemäß kann somit auf ein zusätzliches Linsensystem zur Ausrichtung und Fokussierung des eingekoppelten und reflektierten Lichts verzichtet werden, um die Anzahl der verwendeten Bauteile des Sensors so gering wie möglich zu halten und damit einen miniaturisierten Aufbau zu ermöglichen.
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In der gezeigten Ausführungsform folgt die Ausbreitung des von der Lichtsendefaser 9 ausgestrahlten Lichts einem Gaußschen Intensitätsprofil mit einem für den Lichtwellenleiter spezifischen Öffnungswinkel αLwl. Das eingekoppelte Licht breitet sich hierbei zwischen den in 1 dargestellten Strahlen 1 und 3 unter dem Öffnungswinkel αLwl aus und trifft vollständig auf eine erste Grenzfläche 7 (Ar) des Sensorkopfes 13. Dabei ist die erste Grenzfläche 7 (Ar) in Anpassung an die Richtung des aus der Lichtsendefaser 9 in den Sensorkopf 13 eintretenden Lichts so hohlgewölbt, das im betauungsfreien Zustand und bei einer Bezugstemperatur ϑ0 das eingekoppelte und ausgebreitete Licht vollständig zu einer zweiten Grenzfläche 8 (Al) reflektiert wird. Weiterhin im betauungsfreien Zustand fokussiert diese zweite Grenzfläche 8 (Al) aufgrund ihrer Hohlwölbung das von der ersten Fläche 7 (Ar) reflektierte Licht in Richtung zu der Lichtempfangsfaser 10.
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Die Hohlwölbung und Größe der beiden Grenzflächen Ar und Al sind hierbei an wichtige Bedingungen gebunden. Im Rahmen der Dimensionierung der Grenzfläche Ar müssen für den ausgewählten Lichtwellenleiter außer der Lichteintrittsrichtung sowohl das spezifische Intensitätsprofil des Lichts als auch der spezifische Öffnungswinkel αLwl des Lichts berücksichtigt werden. Die Größe der Grenzfläche Ar muss für den erfindungsgemäßen Sensorkopf 13 so bemessen sein, dass das von der Lichtsendefaser 9 ausgekoppelte und mit dem Öffnungswinkel αLwl divergente Licht auf die Grenzfläche 7 (Ar) trifft. Die Hohlwölbung der Grenzfläche 7 (Ar) muss, wie oben angegeben, dabei so festgelegt sein, dass das Licht so vollständig wie möglich, d. h. nur mit unvermeidbaren Streuverlusten auf die zweite Grenzfläche Al reflektiert wird.
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Die zweite Grenzfläche Al wird hierbei anhand des von der ersten Grenzfläche Ar reflektierten Lichts, das durch die Randstrahlen 1 und 3 definiert ist, dargestellt. Im unbetauten Zustand wird erfindungsgemäß die maximale Menge des reflektierten Lichtes auf die zweite Grenzfläche Al gelenkt. Die Hohlwölbung der zweiten Grenzfläche Al muss derart bestimmt sein, dass das auftreffende Licht in Richtung der Lichtempfangsfaser 10 so vollständig wie möglich, d. h. nur mit nicht zu vermeidenden Streuverlusten, reflektiert und fokussiert in die Lichtempfangsfaser 10 ausgekoppelt wird. Der Strahlenverlauf des an der zweiten Grenzfläche Al reflektierten Lichts ist anhand der in 1 dargestellten Lichtstrahlen 4 und 6 dargestellt. Das aus dem Sensorkopf ausgekoppelte und in die Lichtempfangsfaser eingekoppelte Licht wird zum in der Zeichnung nicht dargestellten Lichtdetektor mit Auswertungseinheit geleitet.
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Die Form und Größe der beiden Grenzflächen Ar und Al ist von der Form der Abstrahlquerschnittsfläche der Lichtsendefaser 9, die kreisförmig oder ellipsenförmig sein kann, von dem Strahlungsprofil des verwendeten Lichtwellenleiters und von dem Öffnungswinkel αLwl des aus der Lichtsendefaser ausgekoppelten und in den Sensorkopf eingekoppelten Lichts, dessen Eintrittswinkel senkrecht ist, abhängig. Es wurde herausgefunden, dass die Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung umso größer ist, je kleiner die Abstrahlquerschnittsfläche des verwendeten Lichtwellenleiters ist.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung weist der Sensorkopf eine rotationssymmetrische Form auf. Bevorzugt hat der Sensorkopf eine den Lichtwellenleitern zugewandte Querschnittsfläche, an welcher das Licht von der Lichtsendefaser vorzugsweise senkrecht zu der Grundfläche eingekoppelt wird und das reflektierte Licht vorzugsweise senkrecht zu der Grundfläche ausgekoppelt wird, und die sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckt und daher eine Kreisfläche ist. Die Grundfläche kann aber auch schräg zur Rotationsachse geneigt sein.
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Insbesondere kann der Sensorkörper die Form eines Rotationsparaboloids haben. Erfindungsgemäß sind auch Ausführungsformen, bei denen der Sensorkopf eine Kugelfläche mit konstantem Krümmungsradius aufweist, auch in Form einer Kugelringfläche, oder die Form einer Halbkugel oder einer Plankonvexlinse hat. Der in 1 dargestellte Sensorkopf hat eine asymmetrische Form.
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Durch die Dimensionierung und Hohlwölbung der beiden Grenzflächen 7 und 8 des Sensorkopfes 13 ist es möglich, im nicht betauten Zustand und bei einer Bezugstemperatur ϑ0 die eingestrahlte Lichtmenge von der Lichtempfangsfaser 10 nahezu so vollständig wie möglich, d. h. nur mit zu nicht vermeidenden Streuverlusten als Maximalwert zu bestimmen.
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Das Auftreten einer Hintergrundstrahlung kann zu einer von der eingekoppelten Lichtstrahlung unterschiedlich gemessenen Lichtintensität führen, die von der Lichtempfangsfaser 10 detektiert wird. Das in der Figur dargestellte Sensorelement weist daher zusätzlich eine zweite Lichtempfangsfaser 11 auf, die nicht das von einer der beiden Grenzflächen Ar und Al direkt reflektierte Licht einkoppelt. Die an dem Sensorkopf 13 angeordnete zweite Lichtempfangsfaser 11 erlaubt eine messtechnische Erfassung einer störenden Hintergrundstrahlung auf den Sensorkopf und ermöglicht eine Kompensation des in der Lichtempfangsfaser 10 zusätzlich durch die Hintergrundstrahlung eingekoppelten Lichtes.
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Die oben beschriebene Ausführungsform des Sensorelementes 12 kann nach Kalibrierung der Anordnung auch für eine Temperaturmessung verwendet werden. Hierbei wird als Messprinzip die Änderung der optischen Eigenschaften des Sensorelementes in Abhängigkeit von einer Bezugstemperatur ϑ0 genutzt. Bei dieser Bezugstemperatur ϑ0 ist der Randstrahl 1 des von der Lichtsendefaser 9 eingekoppelten Lichtes identisch mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion αG0. Ändert sich die Temperatur ϑ des Sensorelements 12, so ändert sich damit der Brechungsindex ns des Materials des Sensorkopfes 13 um Δns und gleichzeitig der Grenzwinkel αG0 der Totalreflexion. Für den Randstrahl 1 wird hierbei ein Teil des eingestrahlten Lichtes nach außen gebrochen und reduziert so die an der Lichtempfangsfaser 10 empfangene Lichtintensität, die durch einen in 1 nicht dargestellten Lichtdetektor gemessen werden kann. Entsprechendes gilt umgekehrt für den Randstrahl 3. In diesem Fall wird dann mit der Verkleinerung des Grenzwinkels aufgrund der Änderung des Brechungsindex n als Funktion der Temperatur zunehmend Lichtleistung zur Empfangsfaser reflektiert.
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Der Brechungsindex n des Materials des Sensorkopfes ist material-, wellenlängen- und temperaturabhängig. Die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes wird daher vorzugsweise so ausgewählt, dass der Brechungsindex n bei der Temperaturmessung eine maximale Temperaturempfindlichkeit für das verwendete Material besitzt.
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Werden bei der Kalibrierung die detektierten Lichtintensität bestimmt und parallel mit einem zusätzlichen Messverfahren die Temperatur gemessen, so ergibt sich die Übertragungskennlinie der empfangenen Lichtintensität in Abhängigkeit von der Temperatur, und mit Hilfe der Kennlinie ist eine Temperaturbestimmung möglich. Eine beginnende Kondensation an der Sensoroberfläche Ar bei Erreichen der H2O-Sättigung der Umgebungsluft, in der Regel bei Absenkung der Temperatur oder Erhöhung des Umgebungsdruckes, begrenzt den Temperaturmessbereich, da hier der Winkel der Totalreflexion αG0 durch das Kondensat zusätzlich verändert wird. Eine Temperaturerhöhung ist in der Regel problemlos messbar, und wird nur durch die verwendeten Materialien beschränkt.
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Des Weiteren ist eine quantitative Bestimmung des Benetzungsgrades σ
x der Oberfläche des Sensorkopfes
13 durch eine geeignete Kalibrierung des Sensorelementes
12 möglich. Der Benetzungsgrad σ
x ist durch folgende Gleichung definiert:
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Im Rahmen der Kalibrierung wird eine maximale Lichtintensität Imax bestimmt, die im vollkommen unbetauten Zustand der Grenzfläche des Sensorkopfes 13 von der Lichtempfangsfaser 10 aufgrund der vorherrschenden Totalreflexion empfangen wird. Zusätzlich wird während der Kalibrierung eine minimale Lichtintensität Imin gemessen. Für diesen Zustand ist die gesamte Oberfläche des Sensorkopfes 13 mit Wasser benetzt, so dass der überwiegende Teil des in den Sensorkopf 13 eingekoppelten Lichtes durch die Grenzflächen nach außen tritt und nur ein geringer Anteil des Lichtes von der Lichtempfangsfaser 10 empfangen wird. Durch einen aktuell bestimmten Wert der von der Lichtempfangsfaser 10 empfangenen Lichtintensität Ix ist schließlich eine quantitative Bestimmung des Benetzungsgrad σx in [%] möglich.
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Aufgrund des nichtelektrischen Messprinzips ist der Sensor auch in explosionsgefährdeten Bereichen oder in Hochspannungsanlagen einsetzbar. Der miniaturisierte Aufbau erlaubt darüber hinaus Messungen hinsichtlich einer Betauung an schwer zugänglichen Stellen sowie den nachträglichen Einbau in bestehende Produkte.
