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Die
Erfindung betrifft eine optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung
in einer kryogenen Umgebung. Die Messeinrichtung weist mindestens
einen Lichtwellenleiter auf, welcher mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor
versehen ist, und über
welchen der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor mittels eines Lichtsignals abfragbar
ist. Weiter umfasst die Messeinrichtung Einspeisemittel zur Einspeisung
des Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter und Auswertemittel
zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem vom mindestens
einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor herkommenden Lichtsignal. Ferner
betrifft die Erfindung eine temperaturüberwachbare Wickelanordnung.
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Supraleitende
Magneten, die beispielsweise in Magnetresonanztomographen Anwendung
finden, werden je nach verwendetem Supraleitertyp mit einem kryogenen
Kühlmittel
auf eine Temperatur von 120 K und niedriger gekühlt. Für einen mit einem Tieftemperatursupraleiter
ausgeführten
Magneten eignet sich beispielsweise flüssiges Helium, das den Magneten
auf 4,2 K kühlt.
Aufgrund unterschiedlichster Störeinflüsse kann
es in einem solchen Supraleiter zum so genannten Quenchen kommen,
wobei der Supraleiter normalleitend wird. Dieser Quench-Vorgang
beginnt zunächst
punktuell und breitet sich mit hoher Geschwindigkeit über den
gesamten Supraleiter aus. Dies ist mit einer starken Erwärmung des
Supraleiters verbunden, welche einen hohen Verdampfungsverlust am
kryogenen Kühlmittel
zur Folge hat. Der Magnet muss daraufhin unverzüglich abgeschaltet werden.
Um eine Beschädigung
des Magneten zu vermeiden, ist es notwendig, den Quench-Vorgang möglichst
zeitnah und ortsaufgelöst
zu erfassen. Beispielsweise kann über akustische Emissionen,
die mit dem Quench-Ereignis verbunden sind, dessen Entstehungsort
lokalisiert werden. Insbesondere bei Magnetresonanztomographen stellt
sich dies als recht schwierig heraus, da Magnetresonanztomographen
in der Regel aus zahlreichen in komplizierter Geometrie angeordneten
Spulen ausgestaltet sind. Eine weitere Möglichkeit der Quench-Detektion ist mit
einer differentiellen Spannungsmessung an den Wicklungen gegeben.
Der Ort des Quenchens kann damit ebenfalls lokal eingegrenzt werden.
Jedoch führt
dies insbesondere bei Magnetresonanztomographen zu sehr vielen Spannungsabgriffen,
die den Wickelprozess sehr kompliziert machen. Darüber hinaus
werden die zu messenden resistierenden Spannungen von sehr hohen
induktiven Anteilen überlagert.
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In
der US 2005/0129088 A1 ist eine optische Einrichtung zur Temperaturüberwachung
einer normalleitenden Magnetresonanztomographiespule angegeben.
Hierbei ist um den Wicklungskörper
der Spule eine röhrenförmige Hülse gewunden,
in welche ein von der Hülse
mechanisch entkoppelter Lichtwellenleiter eingeführt ist. Der Lichtwellenleiter ist
dabei mit mehreren Faser-Bragg-Gitter-Sensoren versehen, mit welchen
die Spulentemperatur, die bei Raumtemperatur oder höher liegen
kann, ortsaufgelöst überwacht
werden kann. Da die temperaturabhängige Wellenlängenänderung
von „nackten" Faser-Bragg-Gitter-Sensoren im Bereich
kryogener Temperaturen, d.h. Temperaturen, die bei 120 K und niedriger
liegen, praktisch nicht vorhanden ist, eignet sich die in dieser
Schrift angegebene optische Einrichtung nicht für den Einsatz in einer solchen
kryogenen Umgebung.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messeinrichtung
anzugeben, die sich für
den Einsatz in einer kryogenen Umgebung eignet. Ferner ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Wickelanordnung anzugeben, deren
Temperatur unter kryogenen Bedingungen überwacht werden kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine optische Messeinrichtung entsprechend den
Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen optischen
Messeinrichtung handelt es sich um eine Optische Messeinrichtung
zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung, aufweisend
- – mindestens
einen Lichtwellenleiter,
- – welcher
mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor versehen ist, und
- – über welchen
der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor mittels eines Lichtsignals abfragbar
ist,
- – Einspeisemittel
zur Einspeisung des Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter, und
- – Auswertemittel
zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem vom mindestens
einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor herkommenden Lichtsignal,
wobei
- – mindestens
ein Mantelelement
- – zumindest
im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors den mindestens einen Lichtwellenleiter
kraftschlüssig
zumindest teilweise umschließt,
und
- – einen
größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter zumindest
bei kryogenen Temperaturen aufweist.
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Durch
den kraftschlüssigen
Kontakt des mindestens einen Mantelelements mit dem mindestens einen
Lichtwellenleiter überträgt sich
die Ausdehnung des mindestens einen Mantelelements bei Temperaturerhöhung oder
die Kontraktion des mindestens einen Mantelelements bei Temperaturerniedrigung
direkt auf den mindestens einen Lichtwellenleiter und damit auf
den mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor. Auch wenn der Faser-Bragg-Gitter-Sensor
selbst einen vernachlässigbaren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten im kryogenen Temperaturbereich
von 120 K und niedriger besitzt, beeinflusst das mindestens eine
Mantelelement bei einer Temperaturänderung durch den vorhandenen
bzw. größeren Ausdehnungskoeffizienten
messbar die Schwerpunktwellenlänge
des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der optischen Messeinrichtung gemäß der Erfindung
ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
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So
ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Mantelelement aus einem
Polymermaterial, insbesondere aus PMMA, ausgestaltet ist. Gerade
Polymermaterial, insbesondere PMMA, weist einen hohen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten im kryogenen Temperaturbereich von 120
K und niedriger auf. So weist beispielsweise PMMA bei einer Temperatur
im Bereich von ca. 4 K (flüssiges
Helium) bis 20 K einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von > 10–6 pro
K auf, während
der thermische Ausdehnungskoeffizient beispielsweise von Glas einer
Glasfaser bei < 10–7 pro
K liegt. Weiter zeichnet sich ein solches Polymermaterial, insbesondere
PMMA, durch eine niedrige intrinsische Wärmekapazität aus.
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Weiter
ist günstig,
wenn das mindestens eine Mantelelement eine ausgeprägte Ausdehnung
in Erstreckungsrichtung des mindestens einen Lichtwellenleiters
im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors aufweist.
Somit ist die Dicke des mindestens einen Mantelelements im Bereich
des zugeordneten mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors möglichst
klein gehalten, um die Wärmekapazität des mindestens
einen Mantelelements zu minimieren. Dadurch wird eine möglichst
kurze Ansprechzeit des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
verjüngt
sich das mindestens eine Mantelelement in Erstreckungsrichtung des mindestens
einen Lichtwellenleiters zu seinen Enden hin. Wird beispielsweise
der mindestens eine Lichtwellenleiter mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor
und dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor zugeordnetem mindestens einen
Mantelelement in ein Verbundmaterial, wie beispielsweise Gießharz, eingebettet,
wird durch eine derartige Ausgestaltung des mindestens einen Mantelelements
eine Stauchung durch das Verbundmaterial vermieden.
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Zudem
ist es günstig,
wenn das mindestens eine Mantelelement rotationssymmetrisch um den mindestens
einen Lichtwellenleiter ausgebildet ist. Insbesondere läuft dabei
das mindestens eine Mantelelement zu beiden Enden hin konisch zu.
Durch eine derart symmetrische Ausgestaltung des mindestens einen
Mantelelements wirken die auf den vom mindestens einen Mantelelement
ausgehenden Dehnungs- und Kontraktionskräfte auf den mindestens einen
Lichtwellenleiter gleichmäßig über dessen
Umfang verteilt. Die Dehnung bzw. Kontraktion des mindestens einen
Faser-Bragg-Gitter-Sensors erfolgt damit gleichmäßig, so dass das beispielsweise
am mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor
reflektierte Lichtsignal eine möglichst
geringe Bandbreite aufweist.
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Günstigerweise
sind mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren an unterschiedlichen Stellen
entlang des mindestens einen Lichtwellenleiters mit jeweils zugeordneten
Mantelelementen vorgesehen. Somit lässt sich zum einen eine ortsaufgelöste Temperaturverteilung
bestimmen und zum anderen bei punktuellen Ereignissen, wie beispielsweise
einer plötzlichen örtlich begrenzten
Temperaturerhöhung,
der Ereignisort genau eingrenzen. Die Auflösung wird dabei lediglich durch
die Beabstandung der einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zueinander bestimmt.
Wird beispielsweise mit der optischen Messeinrichtung gemäß der Erfindung
das so genannte Wellenlängenmultiplexverfahren
angewandt, können
in der Regel bis zu 10 Faser-Bragg-Gitter-Sensoren nacheinander in einem
Lichtwellenleiter angeordnet sein. Jeder Faser-Bragg-Gitter-Sensor
hat dabei eine andere Schwerpunktswellenlänge. Das vom Einspeisemittel
in den Lichtwellenleiter eingespeiste Lichtsignal muss hierfür einen
Wellenlängenbereich
aufweisen, der alle Schwerpunktswellenlängen abdeckt. Zur Auswertung
weist das Auswertemittel hierbei vorzugsweise ein Spektrometer,
wie beispielsweise ein Fabry-Perrot-Interferrometer, auf.
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Wird
andererseits alternativ zum Wellenlängenmultiplexverfahren das
so genannte Zeitmultiplexverfahren (OTDR: Optical Frequency Domain
Reflectometry) verwendet, können
nahezu unbegrenzt viele Faser-Bragg-Gitter-Sensoren in einem Lichtwellenleiter
angeordnet werden. Dabei können
die Sensoren auch bei identischer Schwerpunktswellenlänge räumlich unterschieden
werden. Für
die Auswertung des an den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren gestreuten Lichtsignals kann
das Auswertemittel beispielsweise einen Kantenfilter aufweisen.
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Es
ist von Vorteil, wenn das Lichtsignal von den Einspeisemitteln gepulst
mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz in den mindestens einen
Lichtwellenleiter einzuspeisen ist. Somit ist gewährleistet,
dass bei einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Temperaturänderung,
wie sie beispielsweise beim Quench-Vorgang in einem Supraleiter
auftritt, die Änderung
der Temperaturverteilung zeitlich aufgelöst werden kann.
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Die
die Wickelanordnung betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale
im Patentanspruch 8 gelöst.
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Demgemäß handelt
es sich bei der Wickelanordnung um eine Wickelanordnung mit mindestens
- – einem
Wickelkörper
aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters, und
- – einem
mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor und mindestens einem
Mantelelement versehenen Lichtwellenleiter der optischen Messeinrichtung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das mindestens
eine Mantelelement in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper steht.
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Bei
der Wickelanordnung ergeben sich die vorstehend für die erfindungsgemäße optische
Messeinrichtung erläuterten
Vorteile.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Wickelanordnung ergeben sich aus den von Anspruch
8 abhängigen
Ansprüchen.
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So
ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter innenseitig
und/oder außenseitig
am Wickelkörper
angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise
ist der Wickelkörper
mit einem Verbundmaterial, insbesondere mit Gießharz, wie beispielsweise Epoxidharz,
versehen. Das Verbundmaterial dient in erster Linie zur mechanischen Stabilisierung
des mindestens einen Leiters im Wickelkörper. Das Verbundmaterial dient
zudem zur elektrischen Isolierung zweier benachbarter Windungen.
Vorteilhafterweise weist darüber
hinaus das Verbundmaterial eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Damit ist gewährleistet,
dass eine zunächst
lokal begrenzte Temperaturerhöhung
sich rasch ausbreitet und somit früh von dem nächstliegenden Faser-Bragg-Gitter-Sensor detektiert
werden kann.
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Es
ist von Vorteil, wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter im Verbundmaterial
eingebettet ist. Zum einen kann somit der mindestens eine Lichtwellenleiter
möglichst
nahe an dem mindestens einen Leiter positioniert werden, zum anderen
wird der mindestens eine Lichtwellenleiter von dem Verbundmaterial
vor äußeren Einflüssen geschützt und
zudem mechanisch stabilisiert. Durch die Einbettung ist weiter gewährleistet,
dass der mindestens eine Lichtwellenleiter und insbesondere der
mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor in einem festen, unveränderbaren
Abstand vom zu überwachenden
mindestens einen elektrischen Leiter angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise
dient das Verbundmaterial des Wickelkörpers gleichzeitig als Mantelelement des
mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors. Dies kann durch ein
geeignetes Verbundmaterial, insbesondere einem Gießharz, sichergestellt
werden.
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Vorteilhaft
ist der mindestens eine elektrische Leiter mindestens ein Supraleiter.
Bei dem mindestens einen Supraleiter kann es sich dabei um einen
Tieftemperatur- oder auch Hochtemperatursupraleiter handeln. Es
ist somit möglich,
ein in mindestens einem Supraleiter auftretendes Quench-Ereignis
zeitnah zu detektieren und bei der Verwendung hinreichend vieler
verteilter Faser-Bragg-Gitter-Sensoren möglichst genau zu lokalisieren.
Eine Wärmebelastung
des Supraleiters durch den mindestens einen Lichtwellenleiter ist
im Prinzip nicht vorhanden.
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Bevorzugte,
jedoch keinesfalls einschränkende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung
ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Aspekte sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
die
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1 eine
optische Messeinrichtung mit Wickelanordnung in einem kryogenen
Medium,
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2 einen
Querschnitt durch die Wickelanordnung gemäß 1,
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3 einen
Längsschnitt
durch eine in einem Verbundmaterial eingebetteten Lichtwellenleiter mit
einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor
und einem dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor
zugeordneten Mantelelement und
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4 einen
Querschnitt durch den Lichtwellenleiter gemäß 3.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
gemäß der Erfindung
eine optische Messeinrichtung mit einer Wickelanordnung 30 in
einem kryogenen Medium 4, wie beispielsweise flüssigem Helium
oder flüssigem
Stickstoff, dargestellt. Die Wickelanordnung 30 weist dabei
einen auf einem Wicklungsträger 32 angeordneten
Wickelkörper 31 auf.
Der Wicklungskörper
kann aber auch freitragend, d.h. ohne Wicklungsträger 32,
ausgeführt sein
(in 1 nicht dargestellt). Der Wickelkörper 31 ist
dabei aus einer Vielzahl von Windungen eines supraleitenden Leiters 34 (siehe 3)
ausgebildet. Der supraleitende Leiter 34 kann dabei ein
Tieftemperatursupraleiter oder ein Hochtemperatursupraleiter sein.
Je nach Supraleitertyp kann der Leiter 34 bandförmig, mit
rechteckigem Querschnitt ausgeführt sein
oder aber auch einen runden Querschnitt aufweisen. Sowohl Wicklungsträger 32 als
auch Wickelkörper 31 sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel von
hohlzylinderförmiger
Gestalt. Der Wickelkörper 31 weist
sowohl auf seiner dem Wicklungsträger 32 zugewandten
Innenseite 36 als auch auf seiner dem Wicklungsträger 32 abgewandten
Außenseite 35 jeweils
einen Lichtwellenleiter 20i, 20a auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 ist der äußere Lichtwellenleiter 20a um
den Wickelkörper 32 gewunden
dargestellt. Der innere Lichtwellenleiter 20i kann parallel
dazu ebenso gewunden angeordnet sein (nicht in 1 dargestellt).
Es sind aber auch andere Anordnungsformen denkbar, die Lichtwellenleiter 20i und 20a parallel
zur inneren bzw. äußeren Wickelkörperoberfläche anzuordnen.
Beispielsweise könnten
die Lichtwellenleiter 20i, 20a auch mäanderförmig angeordnet
werden. Die Lichtwellenleiter 20i, 20a sind mit
zahlreichen temperatursensitiven Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 versehen.
Vorzugsweise ist der jeweilige Lichtwellenleiter 20i, 20a und
die zugeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 derart angeordnet,
dass die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 ein „flächendeckendes" Sensornetzwerk ausbilden.
Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 sind
vorteilhaft äquidistant
zueinander angeordnet. Erfolgt im Supraleiter 34 ein Quench-Ereignis,
bei dem der Supraleiter 34 plötzlich punktuell normalleitend
wird, so dass sich am Ereignisort ein so genannter „hot spot" ausbildet, kann
dieser von einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 oder
mehreren Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 detektiert werden.
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Die
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 können jeweils unterschiedliche
spezifische Schwerpunktswellenlängen – die so
genannten Bragg-Wellenlängen – aufweisen.
Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 werden
von einem Lichtsignal LS, das von einer breitbandigen Lichtquelle 51 erzeugt
wird, abgefragt. Über
einen Koppler 52 und einem oder mehrere Lichtwellenleiter 20i, 20a wird
das Lichtsignal LS in die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 eingespeist.
In jedem Faser-Bragg-Gitter- Sensors 21 wird
von dem eingespeisten Lichtsignal LS ein Anteil mit der jeweiligen
Schwerpunktswellenlänge
als Teil-Reflex-Signal
zurückreflektiert.
Der übrige
Teil des Lichtsignals LS passiert dagegen den betreffenden Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 und
trifft gegebenenfalls auf den nächsten
Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21. Am Koppler 52 steht
dann ein von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 zurückreflektiertes
Lichtsignal LS' an,
das sich aus den Teil-Reflex-Lichtsignalen der einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 zusammensetzt.
Die Schwerpunktswellenlängen
von mehreren Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
eines Lichtwellenleiters müssen
jedoch nicht gezwungenermaßen unterschiedlich
sein, wenn zur Unterscheidung der Antwortsignale verschiedene Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, beispielsweise
ein so genanntes „optical
time domain reflectometer" verwendet
wird.
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Erfährt ein
Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 eine Temperaturänderung, ändert sich
dessen Schwerpunktswellenlänge
entsprechend dem Betrag der Temperaturänderung und damit der Wellenlängengehalt
(= das Wellenlängenspektrum)
des vom betreffenden Sensor 21 reflektierten Teil-Reflex-Lichtsignals.
Diese Veränderung
im Wellenlängengehalt
dient als Maß für die zu
erfassende Temperaturänderung.
Es ist aber auch ein Transmissionsbetrieb denkbar (in den Figuren
nicht gezeigt). Hier muss im Gegensatz zum Reflektionsbetrieb das gesamte
von der Lichtquelle 51 ausgesandte Wellenlängenspektrum
auf fehlende Wellenlängenbereiche untersucht
werden. Denn diese fehlenden Wellenlängenbereiche entsprechen den
jeweiligen Schwerpunktswellenlängen
der einzelnen Sensoren 21.
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Das
von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 herkommende, in
den Koppler 52 wieder eingespeiste Lichtsignal LS' wird vom Koppler 52 zu
einer Auswerteeinheit 53 geleitet. Diese umfasst insbesondere
einen optischen Wandler, einen Analog/Digital-Wandler und einen
digitalen Signalprozessor. Der optoelektrische Wandler weist vorteilhafterweise
ein spektralselektives Element zur Selektion der einzelnen Teilreflexlichtsignale,
beispielsweise in Gestalt eines Polychromators, und einen gegebenenfalls auch
mehrteiligen Lichtempfänger
auf. Zur Analyse des Lichtspektrums sind Gitter- oder Beugungsspektrometer
denkbar. Bei der Verwendung eines „optical time domain reflectometers" genügt beispielsweise auch
ein kostengünstiges
Kantenfilter. Im Anschluss an die optoelektronische Wandlung findet
im Analog/Digital-Wandler eine Analog/Digital-Wandlung statt. Das
digitalisierte Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers wird dem
digitalen Signalprozessor zugeführt,
mittels welchem Messwerte M1, M2, ... für die in den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 erfassten
Temperaturen ermittelt werden. Im Transmissionsbetrieb hingegen
kann auf den Koppler 52 verzichtet werden. Hier wird an
einem Ende der/des Lichtwellenleiter/s 20a, 20i das
Lichtsignal LS mittels der Lichtquelle 51 eingekoppelt
und am anderen Ende der/des Lichtwellenleiter/s 20a, 20i von
einem optoelektrischen Wandler detektiert.
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Die
Lichtquelle 51, der Koppler 52 und die Auswerteeinheit 53 sind
in einer Sende-/Empfangseinheit 50 zusammengefasst, wobei
die Lichtquelle 51 und der Koppler 52 als Einspeisemittel
zur Einspeisung des Lichtsignals LS in die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 sowie
die Auswerteeinheit 53 mit optoelektrischem Wandler, Analog/Digital-Wandler
und digitalem Signalprozessor als Auswertemittel zur Bestimmung
eines Messwertes M1, M2, ... für
die von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 jeweils erfasste Temperatur
aufgefasst werden können.
In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können diese
Untereinheiten oder Teile davon voneinander getrennt, also nicht
als gemeinsame Sende-/Empfangseinheit 50, ausgebildet sein.
Außerdem
ist auch eine rein analoge Auswertung, beispielsweise mittels einer
fest verdrahteten elektronischen Schaltung möglich. Dann wäre kein
Analog/Digital-Wandler vorhanden und die Auswerteeinheit 53 mittels
Analogtechnik realisiert.
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Die
in der Sende-/Empfangseinheit 50 erzeugten Messwerte M1,
M2, ... werden beispielsweise mittels einer Funkübertragung zu einer in 1 nicht
dargestellten Datenerfassungseinheit übermittelt. Die Datenübertragung
kann jedoch grundsätzlich auch
leitungsgebunden elektrisch oder optisch erfolgen. Außerdem können die
Sende-/Empfangseinheit 50 und die Datenerfassungseinheit
auch als gemeinsame Einheit ausgebildet sein.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch die in 1 dargestellte
Wickelanordnung 30 abgebildet. Die Lichtwellenleiterabschnitte
der einzelnen Windungen jeweils eines Lichtwellenleiters 20a, 20i sind hierbei äquidistant
angeordnet.
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In 3 ist
ein Lichtwellenleiter 20a, 20i im Längsschnitt
dargestellt. Der Lichtwellenleiter 20a, 20i ist
dabei in einem Verbundmaterial 33, insbesondere Gießharz, wie
beispielsweise Epoxidharz, eingebettet, mit welchem der Supraleiter 34 im
Wickelkörper 31 mechanisch
stabilisiert wird. Der Lichtwellenleiter 20a, 20i verläuft dabei
im Wesentlichen parallel zum benachbarten Supraleiter 34.
Es ist weiter ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 dargestellt,
der von einem Mantelelement 22 umgeben ist. Das Mantelelement 22 ist
dabei kraftschlüssig
mit dem Lichtwellenleiter 20a, 20i und damit auch
kraftschlüssig mit
dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 verbunden. Während der
Lichtwellenleiter, der in der Regel aus Glas gefertigt ist, bei
kryogenen Temperaturen von ≤ 120
K nahezu keine Ausdehnung bei einer Temperaturveränderung
erfährt – der thermische
Ausdehnungskoeffizient ist vernachlässigbar – ist das Mantelelement 22 aus
einem Material ausgebildet, das gerade bei solch tiefen Temperaturen
einen verhältnismäßig großen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Als Mantelelementmaterial kommt dabei
insbesondere ein Polymer, wie beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylat),
in Frage. Während mit
einem „nackten" Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 beispielsweise
ein Temperaturanstieg von 2 K auf 20 K praktisch nicht messbar ist,
ist dies ohne weiteres mit einem mit einem Mantelelement 22 versehenen Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 möglich. Durch
die kraftschlüssige
Verbindung des Mantelelements 22 mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 dehnt
sich bei einer Temperaturerhöhung
mit dem Mantelelement 22 ebenfalls auch der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21. Die
Dehnung erfolgt insbe sondere in Erstreckungsrichtung 23 des
Lichtwellenleiters 20a, 20i, da das Mantelelement 22 eine
ausgeprägte
Ausdehnung in der Erstreckungsrichtung aufweist. Durch die Dehnung
verändert,
d.h. vergrößert, sich
die Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 21 und
damit die Schwerpunktswellenlänge.
Diese Veränderung kann
unmittelbar vom eingespeisten Lichtsignal LS abgefragt werden. Das
in 3 dargestellte Mantelelement 22 ist zudem
rotationssymmetrisch um den Lichtwellenleiter 20a, 20i angeordnet.
In Erstreckungsrichtung 23 des Lichtwellenleiters 20a, 20i verjüngt sich
das Mantelelement 22 zu beiden Seiten hin, so dass es im
abgebildeten Beispiel beidseitig konisch zuläuft. Im Bereich des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 21 ist
das Mantelelement 22 am dicksten, d.h. der Abstand zwischen
dem Lichtwellenleiter 20a, 20i und der Außenfläche des
Messelements zumindest in Richtung des nächstliegenden Supraleiters 34 ist
im Bereich des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 21 maximal.
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Ein
derartiger Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 kann typischerweise
einen Durchmesser von ca. 200 μm
und eine Länge
von ca. 10 mm aufweisen. Die Dicke des Mantelelements 22 beträgt dabei
maximal 1 mm.
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In 4 ist
ein Querschnitt durch den in 3 abgebildeten
Lichtwellenleiter 20a, 20i dargestellt. Das Mantelelement 22 ist
wie bereits angegeben rotationssymmetrisch bezüglich des Lichtwellenleiters 20a, 20i ausgebildet.