DE102006008735A1

DE102006008735A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur der scheinbaren Dämpfung bei einer faseroptischen Raman-Rückstreu-Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102006008735A1
Application number: DE102006008735A
Authority: DE
Inventors: Kurt Prof. Dr. Nawrotzki; Bernhard Vogel; Georg Prof. Dr. Kuka
Original assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH; Geso-Gesellschaft fur Sensorik Geotechnischen Umweltschutz und Mathematische Modellierung Mbh Jena
Current assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH; Geso-Gesellschaft fur Sensorik Geotechnischen Umweltschutz und Mathematische Modellierung Mbh Jena
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der scheinbaren Dämpfung bei einer faseroptischen Raman-Rückstreu-Temperaturmessung. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Einkoppeln eines Laserimpulses (L) in einen Lichtleiter und ortsaufgelöste Detektierung eines Hin-Raman-Spektrums (H-RmS) an einem ersten Detektorzeitpunkt (t¶1¶) an einem Detektorpunkt (DP); Reflexion des Laserimpulses an einem verspiegelten Lichtleiterende (E) und Rücklauf des Laserimpulses (L) durch den Lichtleiter; Detektierung eines an dem verspiegelten Lichtleiterende reflektierten Rück-Raman-Spektrums (R-RmS) an einem zweiten Detektorzeitpunkt (t¶2¶) am Detektorpunkt (DP); Mittelwertbildung aus einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis (H) des Hin-Raman-Spektrums (H-RmS) und einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis (R) des Rück-Raman-Spektrums (R-RmS). Eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens ist durch eine Faserendbaugruppe (10) zum Anfügen an eine Lichtleitermessfaser mit einer Anschlusseinheit (20) und einer Faserendspiegeleinheit (30) mit einem Faserendspiegel (31) gekennzeichnet. Zwischen der Anschlusseinheit (10) und der Faserendspiegeleinheit (30) ist in einer vorteilhaften Ausführungsform eine für die Wellenlänge des Laserimpulses undurchlässige und für das Rück-Raman-Spektrum durchlässige wellenlängenabhängige Spiegeleinheit (40) mit einer zwischen der Spiegeleinheit und dem Faserendspiegel angeordneten Totzeiteinheit (50) in Form eines ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der scheinbaren Dämpfung bei einer faseroptischen Raman-Rückstreu-Temperaturmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens.

Bei der ortsaufgelösten faseroptischen Temperaturmessung, die auch unter der Bezeichnung faseroptisches Laserradar-Temperaturmessverfahren bekannt ist, wird die Temperaturabhängigkeit optischer Eigenschaften von Lichtwellenleitern dazu genutzt, um die Temperaturverteilung in Abschnitten eines entlang einer Messtrecke verlegten Lichtwellenleiters zu messen. Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, Temperaturmessungen in tiefen Bohrungen oder an langen Rohrleitungsstrecken in einer elektrisch völlig passiven Weise auszuführen. Hierzu werden kurze Laserlichtimpulse in den Lichtwellenleiter eines Sensorkabels eingekoppelt. Ein geringer Teil dieses eingekoppelten Lichtes wird innerhalb des Lichtwellenleiters in Richtung des Einkoppelpunktes zurückgestreut. Dieses Streulicht enthält neben der Wellenlänge des Laserlichtimpulses ein Raman-Rückstreuspektrum, dessen Banden sich im Spektrum sowohl bei kleineren, als auch bei größeren Wellenlängen in der Umgebung der Wellenlänge des Laserlichtes befinden. Den langwelligeren Teil des Raman-Spektrums bezeichnet man als das Anti-Stokes-Band der Rückstreustrahlung, während der bei kürzeren Wellenlängen des Laserimpulses gelegene Teil des Raman-Spektrums das Stokes-Band der Rückstreustrahlung bildet. Die Intensität des Stokes-Bandes I_s erweist sich im wesentlichen als von der Temperatur des Lichtleiterabschnitts unabhängig, während die Intensität I_a des Anti-Stokes-Bandes eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit zeigt. Das als Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis gemessene Verhältnis der Intensitäten I_a und I_s folgt der Beziehung Ia/Is = [(ν0 + νk)4/(ν0 – νk)4]exp(–h c νk/kT).

Über die Bestimmung dieses Verhältnisses kann die Temperatur an dem Punkt bzw. dem Lichtleiterabschnitt bestimmt werden, aus dem die Emission der Raman-Rückstreuung erfolgt ist. In der genannten Gleichung bedeuten I_a die Intensität der Anti-Stokes-Linie; I_s die Intensität der Stokes-Linie; ν₀ die Wellenzahl des Lichtes des Laserimpulses und ν_k der Verschiebungsbetrag der Wellenzahl in Einheiten einer reziproken Wellenlänge; T die Temperatur am Längenabschnitt des Lichtwellenleiters, aus dem das Licht der Raman-Rückstreuung innerhalb eines bestimmten Zeitfensters stammt; h das Plancksche Wirkungsquantum; k die Boltzmann-Konstante und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im verwendeten Material des Lichtwellenleiters.

Eine Auswerteeinheit für das rückgestreute Licht verknüpft somit eine spektrale Intensitätsmessung des Rückstreusignals einerseits mit einer laufzeitabhängigen Zeitfensterdetektierung des Lichtes andererseits und liefert durch eine Verschiebung des Zeitfensters für die Laufzeitdetektierung die Temperaturwerte sämtlicher Längenabschnitte im Lichtwellenleiter des Sensorkabels und somit der Streckenabschnitte, in denen das Sensorkabel verlegt ist.

Die Stokes- und Antistokes-Komponente der Raman-Rückstreu-Strahlung unterliegt im Lichtwellenleiter einer unterschiedlich starken Dämpfung. Dieser Effekt führt bei der beschriebenen Quotientenbildung zu einem mit der Entfernung des Lichtleiterabschnitts zum Detektor abfallenden Betrag des Antistokes/Stokes-Verhältnisses. Diese als scheinbare Dämpfung oder differential loss bzw. als DL bezeichnete Erscheinung verfälscht das Messergebnis um einen proportional zur Entfernung des vermessenen Lichtleiterabschnitts wachsenden Betrag und muss somit korrigiert werden. Für eine derartige Korrektur sind beim gegenwärtigen Stand der Technik im wesentlichen zwei Verfahren gebräuchlich.

Bei einem Verfahren zur DL-Korrektur wird ein durchschnittlicher Wert für den DL des Lichtwellenleiters ermittelt und anschließend bei der Auswertung jeder Einzelmessung in Form einer exponentiellen Korrekturfunktion in die Temperaturberechnung einbezogen. Dieses Verfahren berücksichtigt allerdings nicht die im Lichtwellenleiter real vorliegenden Dämpfungsveränderungen und Inhomogenitäten. Es kann deswegen dazu führen, dass die rechnerische Korrektur des DL sehr wahrscheinlich mit dem Eintrag eines zusätzlichen Messfehlers verbunden ist.

Bei einem zweiten bekannten, als Loop-Korrektur bezeichneten Verfahren zur Korrektur des DL wird das Sensorkabel und damit der Lichtwellenleiter als Schleife verlegt. Dabei verläuft das Sensorkabel entlang der Messstrecke, beispielsweise einer zu überwachenden Rohrleitung, bis zu einem Umkehrpunkt und von dort im wesentlichen parallel zur bereits verlegten Faser wieder zum Einkoppelpunkt zurück. Alle Rückstreusignale, die aus einem Zeitfenster stammen, dessen Beginn einem Punkt des Sensorkabels entspricht, der zwischen dem Einkoppelpunkt und dem Umkehrpunkt, bilden den sogenannten ersten Loop-Ast des gemessenen DL-Verlaufs.

Alle Rückstreu-Signale, die aus einem Zeitfenster stammen, dessen Beginn einer größeren Strecke als derjenigen zwischen Einkoppelpunkt und Endpunkt entspricht, betreffen einen Abschnitt des Sensorkabels, der hinter dem Umkehrpunkt liegt. Diese Rückstreusignale bilden den sogenannten zweiten Loop-Ast des DL-Verlaufs. Durch eine Spiegelung des zweiten Loop-Astes auf den ersten Loop-Ast, kann der DL durch eine Mittelwertbildung herauskorrigiert werden.

Dieses zweite bekannte Verfahren zu DL-Korrektur halbiert jedoch die für eine gegebene Länge eines Lichtwellenleiters bzw. eines Sensorkabels maximal mögliche Messreichweite und erfordert demzufolge eine material- und kostenaufwändige Verlegung eines doppelt so langen Sensorkabels für eine vorgegebene Messstrecke, die ausschließlich nur zur DL-Korrektur ausgeführt werden muss.

Es versteht sich, dass dieser beträchtliche zusätzliche Material- und Kostenaufwand reduziert werden muss, wobei die DL-Korrektur aber wegen des oben bereits erwähnten Messfehlers nicht allein rechnerisch erfolgen kann, sondern durch reale Messungen auf dem Lichtleiter des Sensorkabel auszuführen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Korrektur der scheinbaren Dämpfung bei einer faseroptischen Raman-Rückstreu-Temperatur messung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausführungsformen und Ausgestaltungen des Verfahrens umfassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: Zu Beginn wird ein Laserimpuls in einen Lichtleiter eingekoppelt und ein Hin-Raman-Spektrum ortsaufgelöst an einem ersten Detektorzeitpunkt an einem Detektorpunkt detektiert. Der Laserimpuls wird an einem verspiegelten Lichtleiterende reflektiert und läuft darauf hin durch den Lichtleiter zurück. Das bei diesem Rücklauf erzeugte und in Richtung auf das verspiegelte Ende emittierte Raman-Streulicht wird am verspiegelten Ende reflektiert und an einem zweiten Detektorzeitpunkt am Detektorpunkt als Rück-Raman-Spektrum detektiert. Anschließend wird eine Mittelwertbildung aus einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis des Hin-Raman-Spektrums und einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis des Rück-Raman-Spektrums gebildet.

Der Laserimpuls durchläuft einen einzigen und einfach verlegten Lichtleiter somit zweifach, wobei die Raman-Streustrahlung sowohl auf dessen Hinweg als auch, nach der Reflexion des Laserimpulses am verspiegelten Lichtleiterende, auf dessen Rückweg ortsaufgelöst detektiert wird. Die auf dem Hinweg erzeugte Raman-Streustrahlung wird wie beim Stand der Technik als Rückstreustrahlung in Form eines Hin-Raman-Spektrums detektiert. Nach der Reflexion am verspiegelten Lichtleiterende erzeugt der nun durch den Lichtleiter zurücklaufende Laserimpuls eine Raman-Streustrahlung, die in Richtung des verspiegelten Lichtleiterendes emittiert und dort ebenfalls reflektiert wird. Diese auf dem Rückweg des Laserimpulses erzeugte Raman-Streustrahlung wird als ein Rück-Raman-Spektrum ebenfalls ortsaufgelöst detektiert. Dabei werden für einen festen Messpunkt des Lichtleiters die Intensitätsverhältnisse zwischen der Antistokes- und der Stokes-Komponente sowohl des Hin-Raman-Spektrums als auch des Rück-Raman-Spektrums ermittelt und aus diesen ein Mittelwert gebildet.

Im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten Loop-Korrektur ist daher eine schleifenförmige Verlegung eines Sensorkabels nicht mehr notwendig, wodurch für eine gegebene Länge des Sensorkabels die dadurch mögliche Messreichweite im wesentlichen nicht eingeschränkt ist. Weil der Laserimpuls den identischen Lichtleiter zweimal durchläuft, wird das Hin- bzw. Rück-Raman-Spektrum nicht durch zusätzliche optische Unterschiede an vollkommen verschiedenen Lichtleiterabschnitten beeinflusst und ist nur durch die Temperatur des ortsaufgelöst detektierten Lichtleiterabschnitts und den zu korrigierenden DL bestimmt.

Zweckmäßigerweise wird zwischen dem ersten Detektorzeitpunkt und dem zweiten Detektorzeitpunkt mindestens ein Totzeitpunkt mit einem Totzeitfenster zur Vermeidung einer Detektorübersteuerung infolge des reflektierten Laserimpulses eingefügt. Da die Raman-Streustrahlung um mindestens eine Größenordnung schwächer als die Intensität des Laserimpulses ist, muss die Detektoranordnung mit einer hinreichenden Empfindlichkeit betrieben werden. Unter diesen Umständen würde der in dem Lichtleiter zurücklaufende Laserimpuls die Detektoranordnung übersteuern und diese entweder sofort oder nach einiger Zeit dauerhaft beschädigen. Das Totzeitfenster dient dazu, die Empfindlichkeit der Detektoranordnung während dieses Ereignisses im wesentlichen auszuschalten und daher eine negative Beeinflussung durch den Laserimpuls auszuschließen.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird ein hinreichend langes Totzeitfenster dadurch gesichert, indem das Rück-Raman-Spektrum an dem verspiegelten Lichtleiterende einen verlängerten Lichtleiterabschnitt durchläuft, dessen Länge mindestens einer Lichtlaufzeit entspricht, die größer als das Totzeitfenster ist. Das Rück-Raman-Spektrum trifft also nach einer zusätzlichen Verzögerung, die durch die zusätzliche Laufzeit im verlängerten Lichtleiterabschnitt hervorgerufen wird, an der Detektoranordnung ein. Dadurch kann die Totzeit und das Totzeitfenster hinreichend lang und gerätespezifisch eingestellt werden.

Eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens ist durch eine Faserendbaugruppe zum Anfügen an eine Lichtleitermessfaser mit einer Anschlusseinheit und einer Faserendspiegeleinheit mit einem Faserendspiegel gekennzeichnet. Die Faserendbaugruppe ermöglicht ein umstandsloses Anfügen eines verspiegelten Lichtleiterendes an einen gegebenen Lichtleiter bzw. ein gegebenes Sensorkabel. Die Anschlusseinheit bildet dabei eine einfach anzufügende Verbindungsmöglichkeit für den Lichtleiter bzw. das Sensorkabel, während die Faserendspiegeleinheit im Innern der Faserendbaugruppe bereits einsatzbereit justiert ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Faserendbaugruppe ist zwischen der Anschlusseinheit und dem Faserendspiegel der Faserendspiegeleinheit eine für die Wellenlänge des Laserimpulses undurchlässige und für die Wellenlängen des Rück-Raman-Spektrums durchlässige wellenlängenabhängige Spiegeleinheit mit einer zwischen der Spiegeleinheit und dem Faserendspiegel angeordneten Totzeiteinheit in Form einer zusätzlichen Faserlänge vorgesehen. Die wellenlängenabhängige Spiegeleinheit reflektiert den eintreffenden Laserimpuls und lässt nur die Strahlung des Rück-Raman-Spektrums passieren. Dadurch tritt das Rück-Raman-Spektrum in die zusätzliche Faserlänge ein und verlässt die Faserendbaugruppe mit einer entsprechenden Verzögerung, sodass das Totzeitfenster hinreichend lang ausgedehnt werden kann.

Die Anschlusseinheit ist bei einer Ausführungsform in Form einer Faserüberlänge zum Spleißen ausgebildet. In diese Faserüberlänge kann der vorinstallierte Lichtleiter in einer einfachen Weise eingespleißt werden.

Die Spleißverbindung selbst kann bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Anschlusseinheit in einer Spleißkassette abgelegt werden und ist vor nachteiligen Umwelteinflüssen geschützt.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Anschlusseinheit eine Steckverbindung in Form eines Fasersteckers auf. Eine derartige Verbindung zwischen Lichtleiter und Faserendbaugruppe ist besonders einfach in der Anwendung und setzt keine besonderen Kenntnisse im Spleißen von Lichtleitern voraus. Zudem kann die gesamte Faserendbaugruppe in einfacher Weise der gesamten Installation zur faseroptischen Temperaturmessung hinzugefügt oder abgekoppelt werden.

Als wellenlängenabhängige Spiegeleinheit ist zweckmäßigerweise ein Fabry-Perot-Resonator vorgesehen, dessen freier Spektralbereich dem Wellenlängenabstand zwischen Stokes- und Antistokesband bei der gegebenen Wellenlänge des Laserimpulses entspricht. Ein derartiger Resonator bildet entsprechend der für ein solches optisches Element geltenden Airy-Funktion einen für Wellenlängen des freien Spektralbereiches, also der Wellenlänge des Laserimpulses, hochreflexiven Spiegel und ist nur für die beidseits dieses Spektralbereiches gelegenen Lichtwellenlängen, also den Wellenlängen des Antistokes- und Stokes-Bandes des Raman-Spektrums, durchlässig. Dadurch reflektiert der Resonator den Laserimpuls nahezu vollständig in den Lichtleiter zurück, während das Rück-Raman-Spektrum durch den Resonator tritt und die Totzeiteinheit getrennt von dem Laserimpuls durchläuft.

Das Verfahren bzw. die Faserendbaugruppe sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung diesen die 1 bis 5. Es werden für gleiche bzw. gleich wirkende Verfahrensschritte und Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Lichtausbreitung in einem Lichtleiter mit einem verspiegelten Lichtleiterende,
2 eine schematische Darstellung der Lichtausbreitung in einem Lichtleiter mit einem zusätzlichen Lichtleiterabschnitt,
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Mittelwertbildung zur erfindungsgemäßen DL-Korrektur
4 eine Faserendbaugruppe in einer ersten beispielhaften Ausführungsform,
5 eine Faserendbaugruppe in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform.
1 zeigt schematisch die Ausbreitung des Laserimpulses und der Raman-Streustrahlung in einem Lichtleiter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Lichtleiter weist ein verspiegeltes Lichtleiterende E, einen Detektorpunkt DP und ein zwischen dem Lichtleiterende E und dem Detektorpunkt DP gelegenen Messpunkt P auf, dessen Temperatur über die in dem Lichtleiter erzeugte Raman-Streustrahlung bestimmt werden soll. Dabei ist die scheinbare Dämpfung des Lichtleiters, d.h. dessen DL, am Punkt P zu korrigieren. Die Lage des Punktes P ist durch eine entsprechende Wahl des zeitlichen Detektorfensters bestimmt und kann somit beliebig gewählt werden.
Ein Laserimpuls L wird an einem hier nicht dargestellten Einkoppelpunkt an den Lichtleiter eingekoppelt, am verspiegelten Lichtleiterende E reflektiert und läuft durch den Lichtleiter zurück. Beim Durchlaufen des Lichtleiters vom Einkoppelpunkt zum verspiegelten Lichtleiterende E erzeugt der Laserimpuls L am Punkt P eine Raman-Rückstreuung, die in Form eines Hin-Raman-Spektrums H-RmS am Detektorpunkt DP in einem ersten Zeitfenster registriert wird. Nach der Reflexion am Ort des verspiegelten Lichtleiterendes E durchläuft der Laserimpuls L den Ort P ein zweites Mal und erzeugt an P eine in Richtung des verspiegelten Lichtleiterendes E gerichtete Raman-Rückstreuung. Diese wird am verspiegelten Lichtleiterende E ebenfalls reflektiert und schließlich als Rück-Raman-Spektrum R-RmS am Detektorpunkt DP in einem zweiten Zeitfenster registriert. Durch eine geeignete Wahl des ersten und des zweiten Zeitfensters lässt sich der Ort des Punktes P am Lichtleiter beliebig wählen, sodass der gesamte Lichtleiter durch eine Folge von Laserimpulsen ausgemessen werden kann.
Darüber hinaus erzeugt der Laserimpuls L beim Zurücklaufen durch den Lichtleiter am Punkt P auch eine Raman-Streustrahlung, die mit dem Laserimpuls mitläuft und daher zeitgleich mit diesem am Detektorpunkt DP eintrifft. Diese Streustrahlung überlagert sich jedoch erstens mit der an allen anderen Punkten im Lichtleiter erzeugten Streustrahlung und bietet daher keine Möglichkeit zu einer ortsaufgelösten Streustrahlungsmessung und kann zweitens auch wegen der hohen Intensität des Laserimpulses nicht detektiert werden.
Die Anfänge des ersten und zweiten Detektorfensters lassen sich leicht aus der Gesamtlänge des Lichtleiters zwischen Einkoppelpunkt und verspiegeltem Lichtleiterende E bzw. dem gewählten Ort des zu untersuchenden Messpunktes P bestimmen. In 1 wird vereinfacht davon ausgegangen, dass der Detektorpunkt DP gleichzeitig der Einkoppelpunkt ist und dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Lichtleiter nicht von dessen Wellenlänge bzw. Wellenzahl abhängt. Dies ist dann erfüllt, wenn die Dispersionskurve des Lichtleitermaterials im Wellenlängen- bzw. Wellenzahlintervall zwischen den Antistokes- und den Stokesbanden des Laserimpulses hinreichend flach ist. Die Dispersion des Lichtleitermaterials kann dann bei denen in der Praxis üblichen Längen des Lichtleiters vernachlässigt werden. Der Laserimpuls L bewegt sich somit ebenso wie die Raman-Streustrahlung mit der für das Lichtleitermaterial geltenden Lichtgeschwindigkeit c fort. Unter diesen Umständen können alle Entfernungen im Lichtleiter in Form von Laufzeiten betrachtet werden.
Die Entfernung zwischen dem Detektorpunkt DP und dem gewählten Messpunkt P des Lichtleiters entspricht einer Laufzeit t_P. Der Abstand zwischen dem Messpunkt P und dem verspiegelten Lichtleiterende E entspricht einer Laufzeit t_E. Als Nullpunkt der Zeitmessung wird bei der nachfolgenden Erläuterung das Aussenden des Laserimpulses am Ort DP gewählt.
Unter dieser Voraussetzung ergibt sich der Beginn des ersten Zeitfensters, der erste Detektorzeitpunkt t₁, gemessen vom Zeitpunkt der Emission des Laserimpulses bis zum Eintreffen des Hin-Raman-Spektrums H-RmS am Detektorpunkt DP durch t1 = 2tP (1).
Nach einem Durchlaufen des Lichtleiters und der Reflexion an E trifft der Laserimpuls L ebenfalls am Detektorpunkt DP ein. Spätestens zu diesem Zeitpunkt muss der Detektor gegenüber der einfallenden Strahlung unempfindlich sein. Dieser Totzeitpunkt t_tot markiert den spätesten Beginn eines Totzeitintervalls. Der Totzeitpunkt t_tot ergibt sich durch die Beziehung ttot = 2tp + 2tE (2).
In einem zweiten Zeitfenster wird die beim Rücklauf des Laserimpulses am Ort P des Lichtleiters erzeugte und in Richtung des verspiegelten Lichtleiterendes E emittierte Raman-Streustrahlung in Form eines Rück-Raman-Spektrums R-RmS detektiert. Der zweite Detektorzeitpunkt t₂, der den Beginn dieses zweiten Zeitfensters markiert, ergibt sich schließlich durch: t2 = 2tP + 4tE(3).
Die Länge der einzelnen Zeitfenster richtet sich nach der Empfindlichkeit und den Schalteigenschaften der jeweils verwendeten Detektoranordnung und bestimmt das örtliche Auflösungsvermögen der faseroptischen Temperaturmessung. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Länge des mindestens zum Totzeitpunkt t_tot beginnenden Totzeitfensters Δt_tot von besonderem Interesse. Es sollte mindestens so lang sein, dass einerseits die zeitliche Länge t_L des Laserimpulses und andererseits das Ein- und Ausschaltverhalten der Detektoranordnung berücksichtigt wird. Das Totzeitfenster Δt_tot sollte demnach rechtzeitig, am besten zu einem Zeitpunkt t'_tot < t_tot beginnen und nach einem Zeitpunkt t''_tot > t_tot + t_L enden.
Der früheste Zeitpunkt t'_tot für den Beginn des Totzeitintervalls ist durch eine Zeitkonstante t_off festgelegt, die das Deaktivierungsverhalten der Detektoranordnung beschreibt. Es gilt: t'_tot = t_tot – t_off.
Das erste Detektorzeitfenster endet an einem Zeitpunkt t₁ + Δt₁, wobei Δt₁ die Länge des ersten Zeitfensters ist. Es muss offensichtlich gelten, dass das erste Detektorzeitfenster spätestens dann endet, wenn das Totzeitfenster beginnt: t₁ + Δt₁ ≤ t'_tot = t_tot – t_off. Zusammen mit den Gleichungen (1) und (2) folgt daraus: Δt1 ≤ 2tE – toff, bzw. Δt1 + toff ≤ 2tE (4)
Die Zeit t_E markiert, wie aus 1 zu entnehmen ist, den Ort des Messpunktes P auf dem Lichtleiter, der den kleinstmöglichen, vor dem verspiegelten Lichtleiterende gelegenen Längenabschnitt zur ortsaufgelösten Temperaturmessung für ein apparativ gegebenes Δt₁ bzw. ein t_off angibt, von dem ein Hin-Raman-Spektrum aus dem endverspiegelten Lichtleiter detektiert werden kann. Ein gewisser Endabschnitt des Lichtleiters kann also durch das Hin-Raman-Spektrum nicht erfasst werden und bildet somit einen Torabschnitt für die Hin-Raman-Detektion des Lichtleiters.
Die maximale zeitliche Obergrenze des Totzeitfensters hängt, wie vorhergehend beschrieben, zunächst entscheidend von der zeitlichen Länge t_L des Laserimpulses ab. Notwendigerweise muss jedoch noch eine gerätebedingte Einschaltzeit t_on der Detektoranordnung nach dem Verstreichen des Totzeitfensters berücksichtigt werden.
Die maximale zeitliche Obergrenze t''_tot des Totzeitfensters beträgt daher t''_tot = t_tot + t_L + t_on. Nach diesem Zeitpunkt kann frühestens das zweite Detektorzeitfenster zum Zeitpunkt t₂ beginnen. Es muss somit gelten: t₂ ≥ t''_tot. Zusammen mit den Beziehungen (2) und (3) lässt sich daraus wieder ein minimales, von der zeitlichen Länge des Laserimpulses und der Aktivierungszeitkonstante abhängiges t_E bestimmen. Es gilt: tE ≥ tL + ton
Diese Beziehung beschreibt die auf das verspiegelte Lichtleiterende bezogene, von der zeitlichen Länge des Laserimpulses und der geräteabhängigen Einschaltzeit abhängende Position eines Messpunktes, von dem nach dem Ende des Totzeitfensters erstmalig ein Rück-Raman-Spektrum detektiert werden kann. Es zeigt sich auch hier, dass mit einer Konfiguration nach 1 ein gewisser, vor dem verspiegelten Lichtleiterende E gelegener Endabschnitt des Lichtleiters nicht vermessen werden kann und einen Totabschnitt für die Rück-Raman-Detektion des Lichtleiters bildet. Durch eine in 2 gezeigte Abwandlung dieses Verfahrens kann dieser Totabschnitt zum Verschwinden gebracht werden.
2 zeigt einen um einen verlängerten Lichtleiterabschnitt V erweiterten endverspiegelten Lichtleiter nach 1. Der in 2 gezeigte Lichtleiter weist zwei Verspiegelungen E₁ und E₂ auf. Sie sind so ausgeführt, dass die Verspiegelung E₁ den Laserimpuls L im wesentlichen vollständig reflektiert, während das Rück-Raman-Spektrum R-RmS im wesentlichen vollständig durch die Verspiegelung E₁ hindurchtritt und erst an der Verspiegelung E₂ reflektiert wird. Unter dieser Bedingung durchläuft das Rück-Raman-Spektrum im verlängerten Lichtleiterabschnitt V eine zusätzliche Wegstrecke mit der Laufzeit t_V.
Der Startzeitpunkt t₂ für den Beginn des zweiten Zeitfensters berechnet sich unter diesen Bedingungen durch folgende Beziehung: t2 = 2tP + 4tE + 2tV (5),wie ein Vergleich zwischen 1 und 2 leicht ergibt. Die maximale zeitliche Obergrenze t''_tot für das Totzeitfenster und die Beziehung t₂ ≥ t''_tot führt nun auf tE + 2tV ≥ tL + ton bzw. tE ≥ tL + ton – 2tV.
Es ist somit möglich, durch eine geeignete Länge des verlängerten Lichtleiterabschnitts auch Rück-Raman-Spektren zu detektieren, für die t_E = 0 ist, und die demzufolge beliebig nahe vor der Verspiegelung E₁ erzeugt worden sind. Damit kann die durch Gleichung (4) beschriebene Auflösungsgrenze für Temperaturmessungen durch die Detektierung des Rück-Raman-Spektrums umgangen werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Mittelwertbildung aus den aufgenommenen Hin- und Rück-Raman-Spektren. Das Diagramm zeigt das Intensitätsverhältnis I_a/I_s der Antistokes- zur Stokes-Komponente des Hin-Raman-Spektrums H-RmS und des Rück-Raman-Spektrums R-RmS, aufgetragen über eine Gesamtheit von Messpunktpositionen P. Die genaue Lage der Messpunkte P₁, P₂, P₃ usw. kann über die bekannte Länge des Lichtleiters aus den bekannten t₁ und t₂ unter Verwendung der Gleichungen (1) und (3) und der bekannten Lichtgeschwindigkeit c im Lichtleiter sehr leicht ermittelt werden. Der Punkt E bezeichnet im Diagramm den Ort des verspiegelten Endpunktes des Lichtleiters.
Im Diagramm aus 3 bildet das Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis des Hin-Raman-Spektrums in Abhängigkeit von P einen H-Zweig über der Menge der Messpunkte, der bei einem P_T entsprechend des vorrichtungsbedingten Totabschnitts abbricht. In einer entsprechenden Weise sind die messpunktabhängigen Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnisse des Rück-Raman-Spektrums zu einem R-Zweig zusammengefasst. Einige Messpunkte, beispielsweise die Messpunkte P₁ und P₂, weisen sowohl Werte im H- als auch im R-Zweig des Diagramms auf, während der beispielhafte Messpunkt P₃ nur im R-Zweig vertreten ist, und im Hin-Raman-Spektrum nicht detektiert werden kann, sondern in den Totabschnitt T fällt. Für die Messpunkte P₁ und P₂ können aus den jeweiligen Intensitätsverhältnissen R₁ und R₂ des R-Zweigs bzw. den Intensitätsverhältnissen H₁ und H₂ des H-Zweigs Mittelwerte M₁ und M₂ gebildet werden, die auf einer Mittelwertlinie M liegen. In Abhängigkeit von der Güte der Messung, der Anzahl der Messwerte und der Länge des Totabschnitts T kann diese Mittelwertlinie auch innerhalb des Totabschnitts durch einen Streckenabschnitt M_T extrapoliert werden.
Die 4 und 5 zeigen zwei beispielhafte Ausführungsformen einer Faserendbaugruppe 10. Die Faserendbaugruppe besteht aus einer Anschlusseinheit 20 und einer Faserendspiegeleinheit 30. Diese enthält einen rechtwinklig zur Faserlängsachse angeordneten Faserendspiegel 31. Bei den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen befindet sich zwischen der Anschlusseinheit 20 und der Faserendeinheit 30 eine wellenlängenabhängige Spiegeleinheit 40. Die wellenlängenabhängige Spiegeleinheit nimmt dabei die Funktion der Verspiegelung E₁ aus 2 ein, der Faserendspiegel fungiert als die aus 2 bekannte Verspiegelung E₂. Die wellenlängenabhängige Spiegeleinheit 40 kann auch entfallen. In diesem Fall verkörpert der Faserendspiegel 30 die Verspiegelung E aus 1.
In den Ausführungsformen aus 4 und 5 bildet die funktionell zwischen der Spiegeleinheit 40 und dem Faserendspiegel 30 angeordnete Komponente der Faserendbaugruppe gleichzeitig eine Totzeiteinheit 50 aus, die einen zusätzlichen Faserabschnitt 51 mit einer zweckmäßigen Länge enthält. Der zusätzliche Faserabschnitt 51 bildet die Realisierung des verlängerten Lichtleiterabschnitts V aus 2.
Die Anschlusseinheit 20 weist in der Ausführungsform aus 4 einen verlängerten Spleißabschnitt 60 zum Einspleißen der eigentlichen Messlichtfaser auf. Der Spleißabschnitt befindet sich in einer gegenüber Umwelteinflüssen geschützten Spleißkassette 70. Besonders vorteilhaft ist eine Faserverbindung in Form eines in 5 gezeigten Fasersteckers 80, der zum Ausbilden einer Steckverbindung zwischen dem Lichtleiter in der Faserendbaugruppe und dem Messlichtleiter dient. Der in der Anschlusseinheit 20 angeordnete Lichtleiter weist eine hinreichend kurze Länge auf, die zweckmäßigerweise kleiner als die Ortsauflösung der faseroptischen Temperaturmesseinrichtung ist und demzufolge beim Messvorgang nicht zwangsläufig berücksichtigt werden muss.
Der Faserendspiegel 31 und die wellenlängenabhängige Spiegeleinheit 40 können jeweils als Fabry-Perot-Resonatoren ausgebildet sein. Dabei weist der Resonator des Faserendspiegels 31 ein maximales Reflexionsvermögen im Bereich der Wellenlängen der Antistokes- bzw-Stokes-Banden λ_a bzw. λ_s des Rück-Raman-Spektrums auf. Der Resonator der wellenlängenabhängigen Spiegeleinheit 40 weist ein maximales Reflexionsvermögen für die Laserwellenlänge λ₀ des Laserimpulses und ein maximales Transmissionsvermögen für die Antistokes- bzw. Stokes-Banden λ_a und λ_s des Rück-Raman-Spektrums auf. Der Aufbau der Resonatoren, insbesondere der Abstand zwischen den planparallelen Platten und die Güte der inneren Verspiegelungen des Resonators können anhand der für derartige optische Elemente gültigen Airy-Funktion angepasst und konzipiert werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines durchstimmbaren Fabry-Perot-Resonators zur Anpassung an unterschiedliche Laserwellenlängen oder materialabhängige Raman-Spektren.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Rahmen fachmännischen Handelns können eine Reihe zweckmäßiger bzw. vorteilhafter Veränderungen an den gezeigten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden.

DP: Detektorpunkt
E: verspiegeltes Lichtleiterende
E₁: erste Verspiegelung
E₂: zweite Verspiegelung
H: H-Zweig
R: R-Zweig
M: Mittelwertlinie
H-RmS: Hin-Raman-Spektrum
R-RmS: Rück-Raman-Spektrum
L: Laserimpuls
P: Messpunkt
T: Totabschnitt
V: verlängerter Lichtleiterabschnitt
t₁: erster Detektorzeitpunkt, Beginn des ersten Zeitfensters
Δt₁: Länge des ersten Detektorzeitfensters
t₂: zweiter Detektorzeitpunkt, Beginn des zweiten Zeitfensters
t_tot: Totzeitpunkt
Δt_tot: Länge des Totzeitfensters
t_L: Länge des Laserimpulses
t_off: Ausschaltzeitkonstante
t_on: Einschaltzeitkonstante
10: Faserendbaugruppe
20: Anschlusseinheit
30: Faserendeinheit
31: Faserendspiegel
40: wellenlängenabhängige Spiegeleinheit
50: Totzeiteinheit
51: zusätzlicher Faserabschnitt
60: Spleißabschnitt
70: Spleißkassette
80: Faserstecker

Claims

Verfahren zur Korrektur der scheinbaren Dämpfung bei einer faseroptischen Raman-Rückstreu-Temperaturmessung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Einkoppeln eines Laserimpulses (L) in einen Lichtleiter und ortsaufgelöste Detektierung eines Hin-Raman-Spektrums (H-RmS) an einem ersten Detektorzeitpunkt (t₁) in einem Detektorpunkt (DP), – Reflexion des Laserimpulses an einem verspiegelten Lichtleiterende (E) und Rücklauf des Laserimpulses (L) durch den Lichtleiter, – Detektierung eines an dem verspiegelten Lichtleiterende reflektierten Rück-Raman-Spektrums (R-RmS) an einem zweiten Detektorzeitpunkt (t₂) am Detektorpunkt (DP), – Mittelwertbildung aus einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis (H) des Hin-Raman-Spektrums (H-RmS) und einem Antistokes/Stokes-Intensitätsverhältnis (R) des Rück-Raman-Spektrums (R-RmS).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Detektorzeitpunkt (t₁) und dem zweiten Detektorzeitpunkt (t₂) mindestens ein Totzeitpunkt (t_tot) mit einem Totzeitfenster (Δt_tot) zur Vermeidung einer Detektorübersteuerung infolge des reflektierten Laserimpulses eingefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rück-Raman-Spektrum (R-RmS) an dem verspiegelten Lichtleiterende (E) in einen verlängerten Lichtleiterabschnitt (V) eintritt und an dessen Ende in den Lichtleiter zurück reflektiert wird, wobei die Länge des verlängerten Lichtleiterabschnitts einer Lichtlaufzeit (t_V) entspricht, die größer oder gleich der zeitlichen Länge des Totzeitfensters (Δt_tot) ist.
Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Faserendbaugruppe (10) zum Anfügen an eine Lichtleitermessfaser mit einer Anschlusseinheit (20) und einer Faserendspiegeleinheit (30) mit einem Faserendspiegel (31).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anschlusseinheit (10) und der Faserendspiegeleinheit (30) eine für die Wellenlänge des Laserimpulses undurchlässige und für das Rück-Raman-Spektrum durchlässige wellenlängenabhängige Spiegeleinheit (40) mit einer zwischen der Spiegeleinheit und dem Faserendspiegel angeordneten Totzeiteinheit (50) in Form eines zusätzlichen Faserabschnitts (51) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusseinheit (20) eine Faserüberlänge (60) zum Spleißen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spleißkassette (70) zur Ablage der Spleißverbindung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Anschlusseinheit (20) eine Steckverbindung in Form eines Fasersteckers (80) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängige Spiegeleinheit (40) in Form eines Fabry-Perot-Resonators ausgebildet ist, dessen freier Spektralbereich dem spektralen Intervall zwischen dem Stokes- und dem Antistokesband der Laserwellenlänge entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fabry-Perot-Resonator durchstimmbar ausgeführt ist.