DE102006025700B4 - Optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung und temperaturüberwachbare Wickelanordnung - Google Patents

Optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung und temperaturüberwachbare Wickelanordnung

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Abstract

Wickelanordnung mit mindestens einem Wickelkörper (31) aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters (34) und einer optischen Messeinrichtung mit:
– mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), der mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) versehen ist und über den der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) mittels eines Lichtsignals (LS) abfragbar ist,
– Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals (LS) in den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), und
– Auswertemittel (53) zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes (M1, M2, ...) aus einem vom mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) herkommenden Lichtsignal (LS'), wobei mindestens ein Mantelelement (22) zumindest im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors (21) den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i) kraftschlüssig zumindest teilweise umschließt und einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 20i) zumindest bei kryogenen Temperaturen aufweist, und wobei:
– zumindest das mindestens eine Mantelelement (22) in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper (31) steht,
– der Wickelkörper...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dokument JP 1162269 AA offenbart eine Quench-Messung an MR-Spulen. Die optische Faser wird dabei außen am Spulenaufbau in Nuten angebracht.
  • Die Dokumente DE 100 12 291 C1 , WO 03/076887 A1 und US 6,659,640 B2 offenbaren Faser-Bragg-Gitter-Strain-Sensoren bzw. Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren, die aber weder bei MR-Spulen noch im kryogenen Umfeld verwendet werden.
  • Die Dokumente S. Gupta et al. "Fiber Bragg grating cryogenic temperature sensors"; Applied optics, Washington, US; Bd. 35, No. 25, 01.09.1996, Seiten 5202–5205 und Lupi c. et al: "Technical Note"; Smart materials and structures, Bd. 14, Nr. 6, 01.12.2005, Seiten N71–N76 offenbaren ohne Bezug auf eine konkrete Anwendung die Verwendung von speziellen Coatings in Form von Metallen oder PMMA bei kryogenen Temperaturen, um eine Temperaturmessung zu ermöglichen.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wickelanordnung anzugeben, deren Temperatur unter kryogenen Bedingungen überwacht werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Wickelanordnung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
  • Demgemäß handelt es sich bei der Wickelanordnung um eine Wickelanordnung mit mindestens einem Wickelkörper aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters, und einer optischen Messeinrichtung mit:
    • – mindestens einen Lichtwellenleiter der mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor versehen ist und über den 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, und wobei zumindest das mindestens eine Mantelelement in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper steht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Wickelanordnung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
  • So ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter innenseitig und/oder außenseitig am Wickelkörper angeordnet ist.
  • Der Wickelkörper ist erfindungsgemäß 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.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß der mindestens eine Lichtwellenleiter im Verbundmaterial eingebettet. 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.
  • Das Verbundmaterial des Wickelkörpers dient erfindungsgemäß gleichzeitig als Mantelelement des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors. Dies kann durch ein geeignetes Verbundmaterial, insbesondere einem Gießharz, sichergestellt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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-Interferometer, auf.
  • 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.
  • 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
  • 1 eine optische Messeinrichtung mit Wickelanordnung in einem kryogenen Medium,
  • 2 einen Querschnitt durch die Wickelanordnung gemäß 1,
  • 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
  • 4 einen Querschnitt durch den Lichtwellenleiter gemäß 3.
  • Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 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 31 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Wickelanordnung mit mindestens einem Wickelkörper (31) aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters (34) und einer optischen Messeinrichtung mit: – mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), der mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) versehen ist und über den der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) mittels eines Lichtsignals (LS) abfragbar ist, – Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals (LS) in den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), und – Auswertemittel (53) zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes (M1, M2, ...) aus einem vom mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) herkommenden Lichtsignal (LS'), wobei mindestens ein Mantelelement (22) zumindest im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors (21) den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i) kraftschlüssig zumindest teilweise umschließt und einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 20i) zumindest bei kryogenen Temperaturen aufweist, und wobei: – zumindest das mindestens eine Mantelelement (22) in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper (31) steht, – der Wickelkörper (31) mit einem Verbundmaterial versehen ist, und – der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 20i) im Verbundmaterial eingebettet ist und das Verbundmaterial gleichzeitig als Mantelelement (22) dient.
  2. Wickelanordnung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 20i) innenseitig und/oder außenseitig am Wickelkörper (31) angeordnet ist.
  3. Wickelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mindestens eine elektrische Leiter (34) mindestens ein Supraleiter ist.
  4. Wickelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Verbundmaterial ein Gießharz ist.
  5. Wickelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Lichtsignal (LS) von den Einspeisemitteln gepulst mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz in den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i) einzuspeisen ist.
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