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Die Erfindung richtet sich auf eine aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung zur Bestimmung des Taupunktes, mit einer Lichtquelle, die mit einem Eingangslichtwellenleiter verbunden ist und Licht in einen optisch transparenten Sensorkopf leitet, welches an einer optischen Grenzfläche der Sensorfläche mindestens einmal reflektiert und in einen Ausgangslichtwellenleiter zurückgeleitet und einem Lichtdetektor in einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind optische Sensorelemente zur Füllstandsmessung bekannt, wie sie beispielsweise in den Druckschriften
GB 2 076 960 A und
EP 0 450 175 A1 beschrieben sind. Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik ein in der Druckschrift
DE 100 41 729 A1 beschriebener Regentropfendetektor sowie in der Druckschrift
US 6,582,658 B1 beschriebene faseroptische Spezialfasern bekannt. Schließlich ist ein faseroptischer Betauungssensor der eingangs genannten Art aus der Druckschrift
DE 10 2005 016 640 A1 bekannt.
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Die Druckschrift
US 2007/0147466 A1 offenbart eine faseroptische Betauungsvorrichtung zur Bestimmung eines Taupunktes. Diese weist eine mit einer Lichtsendefaser verbundene Lichtquelle auf, die Licht in einen optisch transparenten Sensorkopf leitet. Das so eingeleitete Licht wird innerhalb des Sensorkopfes insbesondere an winklig zueinander stehenden Grenzflächen reflektiert und anschließend einem Lichtdetektor in einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt. Gemäß dieser Druckschrift wird eine Ausbildung von linear verlaufenden und winklig zueinander ausgerichteten Grenzflächen, beziehungsweise Sensorflächen, eines Sensorkopfes vorgeschlagen, um einen regulären Verlauf eines Lichtstrahls durch diesen hindurch vorzugeben.
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Aus Druckschrift
DE 200 12 060 U1 geht eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Taupunkttemperatur eines Messgases hervor, welche einen Kondensationsbereich, eine Lichtquelle, einen Lichtsensor zum Ermitteln einer von dem Kondensationsbereich reflektierten Lichtintensität und eine Einstellung einer Temperatur des Kondensationsbereiches aufweist. Auch diese Druckschrift offenbart eine winklige Ausrichtung zweier linear ausgebildeter reflektierender Oberflächen zum Leiten von Licht.
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Die meisten Messsysteme bestehen aus porösen Strukturen, die Feuchtigkeit aufnehmen. Hierdurch gelangen auch Verschmutzungen mit in das System, die zunehmend Einfluss auf die Kennlinienstabilität nehmen. Optische Systeme, die nach dem Prinzip der Lichtbrechung arbeiten oder funktionieren, besitzen zumeist glatte, nicht hygroskopische Sensorflächen, die vergleichsweise geringfügig verschmutzen. Nachteil dieser Systeme und der damit durchgeführten Verfahren sind die schlechte thermische Leitfähigkeit und die daraus resultierende thermische „Trägheit“ der optischen Materialien.
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Es besteht das Bedürfnis, eine faseroptische Betauungssensorvorrichtung zur Bestimmung des Taupunktes zu schaffen, die für Anwendungen sowohl im Normaldruckbereich als auch im Hochdruckbereich verwendbar ist. Insbesondere für Anwendungen im Hochdruckbereich ist eine druckstabile Ausführung der Sensorvorrichtung erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Betauungssensorvorrichtung zu schaffen, durch die der bei bekannten Systemen auftretende Nachteil vermieden wird, und die sich durch eine einfache und kostengünstige Bauweise auszeichnet und für Anwendungen im Normal- und Hochdruckbereich ausreichend empfindlich und dennoch störungsunempfindlich ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
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Bei einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lichtdetektor unter zur Zuhilfenahme eines Temperatursensors, der auf der Betauungssensoroberfläche die Taupunkttemperatur im Moment der optisch detektierten Kondensationsbildung erfasst, die durch das gezielte Herabkühlen der Sensorfläche entsteht, misst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung wird ein optisches Messsystem mit geringer Anfälligkeit gegenüber Störfeldern bereitgestellt. Eine nicht hygroskopische, glatte, robuste Grenzfläche ermöglicht ein stabiles Langzeitverhalten und gewährleistet, dass sich keine Verschmutzungen in das System einlagern können. Die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung weist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit mit der Möglichkeit der quantitativen Bestimmung der benetzten Messfläche auf. Verunreinigungen bzw. Beimengungen von beispielsweise dünnen Ölschichten im Messmedium, was bei Systemen mit hygroskopischen Materialien zum Ausfall führen würde, werden von der Betauungssensorvorrichtung kompensiert. Es ist keinerlei Justierung bei der Herstellung und beim Betrieb der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung notwendig. Die preiswert herzustellende aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung ist langzeitstabil sowie aufgrund des optischen Messprinzips gegenüber Störungen unanfällig und zeichnet sich durch eine robuste Bauweise aus.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass der Eingangslichtwellenleiter und der Ausgangslichtwellenleiter sowie die Sensorfläche so zueinander ausgerichtet sind, dass der Übergang vom unbetauten zum betauten Zustand messbar ist.
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Um die räumliche Ausbreitung des sich divergent verhaltenden Lichtes im Sensorkopf zu begrenzen, sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass die Sensordicke im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Lichtwellenleiter entspricht.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Sensorkopf in weitere parallele, optisch verbundene Sensorkopfteilstrukturen aufgeteilt ist. Dadurch ist es möglich, die Sensorkopfteilstrukturen mit speziellen Eigenschaften zu versehen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass parallele, optisch verbundene Sensorkopfteilstrukturen unterschiedliche Funktionseigenschaften aufweisen. Mittels unterschiedlicher Sensorformen kann die Anwesenheit anderer Stoffgruppen im Messmedium erkannt und kompensiert werden. Sensorkopfformen, die außerhalb einer Beeinflussung durch das Messmedium liegen, können als Referenz für den unbetauten Zustand sowie für den Grad der Oberflächenverschmutzung herangezogen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung eine temperaturabhängige Sensorform oder Sensorkopfteilstruktur auf. Speziell geformte Sensorkopfteilstrukturen können zum Beispiel die Temperaturabhängigkeit des verwendeten Materials zur Temperaturbestimmung nutzen.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass der Sensorkopf oder die Sensorkopfteilstrukturen aus einem wellenlängenabhängigen Material bestehen. Materialien mit selektiv spektralem Verhalten ermöglichen weitere analytische Messvorgänge.
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Weiter bevorzugt sind in Ausgestaltung der Erfindung unterschiedliche Sensorkopfgeometrien einsetzbar. Sowohl lineare als auch nichtlineare Formen des Sensorkopfes können bei der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung verwendet werden.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die randnahe Einkopplung eines Lichtstrahles in eine halbrunde Sensorkopfform die Ausbreitung des Lichtes auf einen randnahen Bereich beschränkt. Der randnahe Bereich, in dem sich das Licht ausbreitet, entsteht durch die Reflexion an der äußeren optischen Grenzfläche des begrenzt divergenten Lichtstrahles. Der divergent eingekoppelte Lichtstrahl verteilt sich somit nicht mehr im ganzen Halbkreis, sondern reflektiert sich nur noch im flachen Winkel entlang der Sensorrundung nach Art eines Skin-Effekts. Aus dieser Vielzahl von unterschiedlichen Reflexionswinkeln liegen ausreichend viele nahe am optischen Grenzwinkel, so dass auch diese Sensorform Betauung anzeigt.
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Zweckmäßigerweise ist erfindunsgemäß der Innenbereich des Sensors, der nicht zur Lichtausbreitung beiträgt, durch ein ebenfalls halbkreisförmiges, thermisch gut leitendes Material ersetzt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die optisch leitende Randschicht soweit vermindert oder reduziert, dass sich das Licht auch an einer inneren optischen Grenzfläche zwischen der optischen Randschicht und dem halbkreisförmigen, thermisch gut leitenden Material reflektiert. Dadurch ist es möglich, den randnahen Bereich auch als eine transparente Lackschicht oder als einen Folienbereich einfach und kostengünstig auszubilden.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass eine möglichst gute und großflächige Kopplung von optischem mit thermisch gut leitenden Strukturelementen die thermodynamische Trägheit des optischen Sensorkopfelementes reduziert. Beispielsweise kann eine teiltransparente Beschichtung zur Kopplung verwendet werden, die einen besseren thermischen Übergang für eine Fremdtemperierung schafft.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dicke der optischen Strukturelemente auf ein funktionsbedingtes Minimum reduziert ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke der Sensorkopfteilstrukturen im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Lichtwellenleiter entspricht.
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Um einen besseren thermischen Übergang für eine Fremdtemperierung zu schaffen, sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass auf der Sensorfläche teiltransparente Beschichtungen mit thermisch gut leitenden Materialien aufgebracht sind. Dadurch werden eine verbesserte Temperaturverteilung auf der Sensoroberfläche und ein Oberflächenspannungsausgleich des Kondensats auf der mischstrukturierten Sensoroberfläche erreicht.
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Weiter bevorzugt ist in einer Ausgestaltung der Erfindung die Sensorfläche durch ein Kühlsystem gezielt temperierbar. Durch die aktive Kühlung sind definierte Betriebszustände einstellbar, die ein Nachkalibrieren des Sensors bzw. Herausrechnen von Verschmutzungen oder anderen Einflüssen ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Sensorfläche das kälteste nach außen gerichtete Strukturelement. Dadurch bildet sich bei Erreichen der Taupunkttemperatur an diesem Strukturelement Kondensat.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Temperaturtransfer bei einer halbrunden Sensorkopfform durch die optische Struktur.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass durch eine feingliedrige Mischstrukturierung von optischen und thermischen Materialien eine Benetzung der optischen Strukturen stattfindet. Die Änderung des optischen Messsignals wird durch Anlagerung von Kondensat auf der optischen Grenzfläche hervorgerufen. Beim Herabkühlen wird sich das Kondensat zuerst an dem thermischen Material absetzen. Durch die feingliedrige Mischstrukturierung ist es allerdings möglich, dass benachbarte optische Strukturen auch bei kleinen Kondensatmengen benetzt werden und eine Signaländerung einsetzt.
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Weiterhin bevorzugt erfolgt eine Direkttemperierung durch Aufbringen von Metall- und Halbleiterstrukturen nach dem Funktionsprinzip des Peltiereffektes. Dadurch kann der Sensorkopf gezielt temperiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist durch Ablauf eines speziellen Temperaturzyklus eine genauere Taupunktdetektion ermöglicht. Dieser spezielle Temperaturzyklus nutzt die unterschiedliche thermische Trägheit der verwendeten Materialien, bei dem mittels Kühlung des Sensorkopfes die Temperatur der thermisch besser leitenden Struktur schneller als die der optischen Struktur sinkt.
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Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass durch einen zusätzlichen Temperatursensor im Messmedium weitere wettertechnische Werte mit Hilfe der optoelektronischen Auswerteeinheit berechenbar sind. Dadurch ist die Berechnung der relativen und absoluten Feuchtigkeit, des Wasserdampfpartialdrucks und des Sättigungsdampfdrucks möglich.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
- 1A-1D eine aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2A-2B eine aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3A-3E eine aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine exemplarische Darstellung von Temperaturverläufen beim Herunterkühlen eines Sensorkopfes,
- 5A-5B schematische Darstellungen des Messsystems,
- 6 eine schematische Seitenansicht eines in Form eines Prismas ausgebildeten optischen Sensorkopfes,
- 7 die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
- 8 die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,
- 9 die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform und
- 10 beispielhaft verwendbare Grundformen von optischen Sensorköpfen.
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Der aktive faseroptische Betauungssensor oder die aktive faseroptische Betauungsvorrichtung (a-FoBt) gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Prinzips eines passiven faseroptischen Betauungssensors (p-FoBt). Aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit von optischen Werkstoffen ist eine passive faseroptische Betauungsvorrichtung ein thermisch träges Sensorprinzip, das nur langsam Temperaturänderungen folgt. Grundgedanke der nachstehend näher beschriebenen Erfindung ist eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit unter Beibehaltung der optischen Funktionsfähigkeit.
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In 10 sind beispielhaft verwendbare Grundformen für einen optischen Sensorkopf 1 einer aktiven faseroptischen Betauungsvorrichtung (a-foBt) dargestellt.
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Mit Ausnahme des ersten Sensorkopfes (Rf=1) weisen alle anderen dargestellten Sensorköpfe (Rf=2, Rf=3, Rf=4 und Rf=n) eine parallele Anschlussweise von Eingangslichtwellenleiter und Ausgangslichtwellenleiter auf.
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Bei linearen Formen des Sensorkopfes entspricht die Anzahl der Reflexionswinkel (Rf) der Anzahl der Grenzflächen, an denen das Licht reflektiert wird. Mit zunehmender Anzahl von Reflexionswinkeln nähert sich die Form des Sensorkopfes einer nichtlinearen Kreisform (Rf=n).
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Die Besonderheit der Rund- oder Kreisform ist, dass sich der in den Sensorkopf divergent eingekoppelte Lichtstrahl bei einer Einstrahlung im Randbereich des Sensorkopfes nicht mehr im ganzen Halbkreis verteilt und ausbreitet, sondern nur noch im flachen Winkeln entlang der runden Grenzfläche des Sensorkopfes reflektiert wird (nach Art eines Skin-Effekts). Aus dieser Vielzahl von unterschiedlichen Reflexionswinkeln liegen ausreichend viele nahe am optischen Grenzwinkel, so dass auch diese Form des Sensorkopfes eine Betauung anzeigt.
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Es sei angemerkt, dass sich das Licht bei allen Formen des Sensorkopfes divergent verteilt, wobei in den ersten vier Darstellungen von 10 (Rf=1 bis Rf=4) exemplarisch nur ein Verlauf des reflektierten Lichtstrahls gezeigt ist.
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Darüber hinaus sei angemerkt, dass der Sensorkopf möglichst so flach wie die Lichtwellenleiter auszuführen ist, damit sich der Lichtstrahl im Wesentlichen nur in eine Richtung divergent ausbreiten kann.
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Als beispielhafte Form für einen Sensorkopf einer ersten und einer zweiten Ausführungsform wurde eine Dreiecksform bzw. ein Prisma verwendet. Der über den Eingangslichtwellenleiter eingekoppelte Lichtstrahl breitet sich divergent im Sensorkopf aus. Wie in der 6 zu sehen ist, wird der Lichtstrahl derart reflektiert, dass er um 180° gedreht in den Ausgangslichtwellenleiter zurückgekoppelt wird. Die Winkel des Prismas sind so gewählt, dass der Hauptanteil des divergenten Lichtstrahls knapp unterhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt. Bei einsetzender Betauung tritt dann an der optischen Grenzfläche ein Medienwechsel von Luft zu Wasser auf. Hierdurch verändert sich der Grenzwinkel der Totalreflexion und Anteile des Lichtstrahls verlassen aufgrund der einsetzenden Lichtbrechung den Sensorkopf bzw. das Messsystem. Die dabei auftretende Lichtdifferenz beziehungsweise die Dämpfungszunahme ist die eigentliche Messgröße.
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Mit Bezug auf die 1A-1D und 7 ist die erste Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung dargestellt. Als beispielhafte Grundform des Sensorkopfes 1 dient eine Dreiecksform oder ein Prisma mit zwei Sensor- bzw. Grenzflächen 3 und 4, wie sie bei einem passiven faseroptischen Betauungssensor verwendet wird. Es kann allerdings auch jede andere lineare Form sowie eine nichtlineare Form für den Sensorkopf 1 verwendet werden.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der Sensorkopf 1 mit thermisch gut leitenden Schichten nach Art eines Sandwich-Systems durchsetzt, wie in den 1B-1D und 7 zu erkennen ist. Die thermisch gut leitenden Schichten sind in Form von Dreieckselementen 8 oder Zwischenelementen ausgestaltet, die zwischen optischen Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n angeordnet sind. Die Sensorfläche ist dann abwechselnd mit einer thermisch leitenden Schicht, wie zum Beispiel Aluminium, und einer optischen Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder dergleichen ausgestaltet.
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Über einen Eingangslichtwellenleiter 2 wird Licht in einen Eingangskoppler 17 geleitet, das sich dann durch sein divergentes Ausbreitungsverhalten in den sechs dargestellten, mit dem Eingangskoppler 17 verbundenen Sensorkopfteilstrukturen in Form von Dreiecken ausbreitet. Die gewählte Anzahl von Dreiecken ist hierbei nur exemplarisch, so dass auch eine davon abweichende Anzahl von Sensorkopfteilstrukturen 1.-1.n gewählt werden kann. Durch Reflexion des Lichtstrahls an den optischen Grenzflächen 3 und 4 wird dieser bei unbetautem Sensorkopf 1 um 180° gedreht und über einen Ausgangskoppler 18 in einen zweiten Lichtwellenleiter, den Ausgangslichtwellenleiter 5, geleitet, der das Signal zu einer optoelektronischen Auswerteeinheit 31, die in den 5a und 5B dargestellt ist, weiterleitet. Die parallel zur Planseite der Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n angeordneten, thermisch gut leitenden Schichten in Form der Dreieckselemente 8 sind auf der Grenzfläche 4 thermisch mit einer Grundplatte 9 verbunden. Die Grundplatte 9 und die Dreieckselemente 8 bestehen aus einem thermisch gut leitenden Material und können über eine Kühleinheit 10, wie zum Beispiel ein Peltierelement, gezielt temperiert werden. Anfallende Abwärme kann beispielsweise über einen Kühlkörper 11 abgeführt werden. Durch den Verzicht auf die Sensor- bzw. Grenzfläche 4 kann der Eintrag der Kühlung von dieser Seite aus erfolgen, wobei der Sensorkopf 1 mit der Grenzfläche 3, die dann die aktive Sensorfläche ist, noch ausreichend empfindlich bleibt.
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Um eine Kondensation ausschließlich auf der Sensoroberfläche 3 hervorzurufen, müssen alle Elemente der Kühlung, die nicht auf der Sensorfläche bzw. der optischen Grenzfläche 3 liegen, luftdicht und thermisch versiegelt werden. Eine Kondensation an nicht erwünschten Stellen wird mittels Isolierschichten 12 verhindert, so dass die jeweilige Aluminiumschicht als Metallstruktur auf der Sensoroberfläche den kältesten Punkt im System bildet. Die Isolierschicht 12 bedeckt ganzflächig die Seitenflächen des Sensorkopfes 1. Die in 1A eingezeichnete Abbruchkante ist nur zur besseren Einsicht auf die darunterliegenden Strukturen entsprechend eingezeichnet. Um eine bessere Verteilung des Kondensats auf den PMMA-Schichten zwischen den als Streben ausgebildeten Aluminium-Schichten auf der Sensoroberfläche bzw. der Grenzfläche 3 zu erreichen, kann die Sensoroberfläche 3 bzw. die Betauungsoberfläche mit einer optisch transparenten Metallbeschichtung 13 belegt werden.
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Die Aufteilung des optischen Sensorelements in Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n, wie beispielsweise in 1C dargestellt, eröffnet die Möglichkeit, diese Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n mit speziellen Eigenschaften zu versehen. So kann durch unterschiedliche Formen der Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n die Anwesenheit anderer Stoffgruppen im Messmedium erkannt bzw. kompensiert werden. Sensorkopfformen, die außerhalb einer Beeinflussung durch das Messmedium liegen, können als Referenz für den unbetauten Zustand sowie für den Grad der Oberflächenverschmutzung herangezogen werden. Darüber hinaus können speziell geformte Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n zum Beispiel die Temperaturabhängigkeit des verwendeten Materials zur Temperaturbestimmung nutzen. Materialien mit selektiv spektralem Verhalten ermöglichen weitere analytische Messvorgänge.
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Als weitere alternative Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform kann die Signalaus- und Signaleinkopplung in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n sowohl über zusätzliche, wie in 1C dargestellte Ausgangslichtwellenleiter 5.1-5.n (1C) als auch mit Hilfe von in 1D und 5B dargestellten Filtermasken 27 erfolgen. Ferner ist es auch denkbar, dass eine gefilterte Signaleinkopplung in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1-1.n mittels einer wie in den 1D und 5B dargestellten Sensorkopfteilstruktur 28 erfolgt, die aus einem spektral selektivem Material gefertigt ist. Die verschiedenen spektralen Anteile, die über den gemeinsamen Ausgangslichtwellenleiter 5 zur optoelektronischen Auswerteeinheit 31 geführt werden, können durch in 5B dargestellte optische Filter 34 vor einem der Auswerteeinheit 31 zugeordneten und in 5B dargestellten Lichtdetektor 35 wieder getrennt werden.
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Die zweite Ausführungsform der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist beispielhaft in den 2A, 2B und 8 dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, weist der Sensorkopf 1 eine Dreiecksform oder die Form eines Prismas auf. Es kann allerdings auch jede andere Sensorform sowie eine nichtlineare Sensorformen verwendet werden.
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Auch bei dieser Ausführungsform wird ein Lichtstrahl über den Eingangslichtwellenleiter 2 in den Sensorkopf 1 eingekoppelt. Durch Reflexion an den optischen Grenzflächen 3 und 4 wird der Lichtstrahl um 180° gedreht und in den Ausgangslichtwellenleiter 5 geleitet und von der in den 5A und 5B dargestellten optoelektronischen Auswerteeinheit 31 ausgewertet.
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Das Kühlelement 11 besteht bei der zweiten Ausführungsform aus einem p-,n-dotierten Halbleiterpaar 6, das über einen Metallstreifen 7 auf der optischen Grenzfläche 3 des Sensorkopfes 1 aufliegt. Um einen besseren thermischen Kontakt von Sensoroberfläche 3 und Metallstreifen 7 herzustellen, kann zum Beispiel eine Wärmeleitpaste eingesetzt werden. Dies verhindert zusätzlich, dass Kondensat 19 unter die Kontaktfläche gelangt. Alternativ kann eine Metallbeschichtung aufgebracht werden, deren Querschnitt für die entsprechende Stromstärke des Peltierelementes ausgelegt ist.
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Wird nun durch die oberen Stirnflächen 14 und 15 des Halbleiterpaares 6 hindurch ein Strom geleitet, so entsteht an der Kontaktfläche mit dem in Form eines Prismas ausgebildeten Sensorkopf 1 die kälteste Stelle im System, an der sich bei Erreichen der Taupunkttemperatur Kondensat 19 bildet. Bei Überschreitung einer bestimmten Kondensatmenge wird auch die Sensoroberfläche 3 benetzt und Anteile des eingekoppelten Lichtstrahls durch Lichtbrechung dem Messsystem entzogen. Durch eine optisch transparente Metallbeschichtung 13 wird diese Benetzung der optischen Grenzfläche 3 aufgrund des gleichen Materials, der Dipoleigenschaft von Wasser und dem gleichen Temperaturniveau erheblich verbessert.
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Die Abwärme, die im Bereich der Stromzuführung an den Enden des Halbleiterpaares 6 entsteht, muss über einen Kühlkörper 11 abgeleitet werden, was beispielsweise mittels einer Halterung für das Halbleiterpaar 6 erfolgen kann, die der Wärmeabfuhr sowie der Stromzufuhr dient.
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Eine Isolierschicht 12 verhindert darüber hinaus eine messtechnisch nicht verwertbare Kondensatbildung im Bodenbereich zwischen den Halbleitern des Halbleiterpaares 6. Hierbei ist die Isolierschicht 12 zwischen den Halbleitern des Halbleiterpaares 6 angeordnet.
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Die Anordnung und Anzahl der Kühlkörper 11 können entsprechend auf beiden Seiten des Halbleiterpaares 6 variiert werden. Anzumerken ist, dass diese Bauweise sowohl für den Hochdruck- sowie für den Normaldruckbereich konzipiert ist.
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Bezüglich der optisch transparenten Metallbeschichtung 13 auf der Betauungsoberfläche, die für die erste und zweite Ausführungsform vorgesehen ist, wurden erfolgreich Beschichtungsversuche mit Goldauflagen mittels des sogenannten Sputterns auf der optischen PMMA-Schicht eines Sensorkopfes durchgeführt. Dabei wurde erkannt, dass sich Strukturen durch vorheriges Abdecken sowie teiltransparente bis lichtdichte Beschichtungen aufbringen lassen. Am Beispiel eines an den Sensorflächen teiltransparent beschichteten Prismas wurden die Seitenflächen stärker vergoldet, wodurch ein besserer thermischer Übergang für eine Fremdtemperierung geschaffen wurde.
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Eine dritte Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist beispielhaft in den 3A bis 3E und 9 dargestellt und nutzt die vorstehend beschriebene Besonderheit des speziellen optischen Effekts aus, der nur bei Rundformen bzw. halbrundförmigen Sensorköpfen auftritt. Bei diesem optischen Effekt breitet sich am Rand des Sensorkopfes 1 eingekoppeltes Licht nur in einem Randbereich entlang der optischen Grenzfläche 29 aus. Der Randbereich bzw. der randnahe Bereich, in dem sich das Licht ausbreitet, ist durch die Reflexion des begrenzt divergenten Lichtstrahles an einer äußeren optischen Grenzfläche 29 definiert, wie in 3C dargestellt ist.
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Bei dem Sensorkopf 1 der dritten Ausführungsform ist dessen Kern 16, in dem sich das eingekoppelte Licht nicht ausbreitet, entfernt und durch ein thermisch gut leitfähiges Material, wie beispielsweise Aluminium, ersetzt, wohingegen der verbliebene Randbereich des Sensorkopfes 1 aus einem optisch gut leitenden Material besteht, wie in 3D dargestellt ist.
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Wird ein Lichtstrahl über den Eingangslichtwellenleiter 2 in die optische Randstruktur des Sensorkopfes 1 eingekoppelt, so wird dieser entlang der optischen Grenzfläche 29 der Randstruktur reflektiert und gelangt über den Ausgangslichtwellenleiter 5 in die optoelektronische Auswerteeinheit 31, die in den 5A und 5B dargestellt ist. Dabei kann die optisch leitende Randschicht soweit vermindert oder reduziert werden, dass das Licht auch an einer inneren optischen Grenzfläche zwischen der optischen Randschicht und dem halbkreisförmigen thermisch gut leitenden Material reflektiert wird, wie in 3E dargestellt ist.
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Der Kern 16 des Sensorkopfs 1 kann über eine Kühleinheit 10, beispielsweise ein Peltierelement, gezielt temperiert werden, so dass auf der Sensoroberfläche die entsprechende Taupunkttemperatur erreicht werden kann. Somit erfolgt der Temperaturtransfer bei der halbrunden Sensorkopfform durch die optische Struktur hindurch. Isolierschichten 12 verhindern eine Kondensatbildung außerhalb der Sensoroberfläche. Kühlungsbedingte Abwärme kann beispielsweise über einen Kühlkörper 11 abgeführt werden.
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Die Vorteile dieser dritten Ausführungsform sind, dass die erzeugte Kälte nur durch einen dünnen Folienbereich entweichen kann, die den kältesten Bereich im Messfeld bildet, und dass durch die Verwendung einer Folie oder einer transparenten Lackschicht eine reflexionsfähige Oberflächenstruktur auf einfache Weise ausgebildet werden kann. Ferner besteht dadurch eine einfache und kostengünstige Bauweise. Ebenfalls ist der Betauungssensor der dritten Ausführungsform leicht zu säubern und in Hochdruckbereichen einsetzbar.
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Die Auswertung der Sensorsignale in Form der Lichtintensität beruht bei allen drei Ausführungsformen auf der Differenzmessung zwischen betautem und unbetautem Zustand. Durch die aktive Kühlung sind definierte Betriebszustände einstellbar, die ein Nachkalibrieren des Sensors bzw. Herausrechnen von Verschmutzungen oder anderen Einflüssen ermöglicht.
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Eine Änderung des optischen Messsignals wird durch Anlagerung von Kondensat auf der optischen Grenzfläche hervorgerufen. Diese Kondensation setzt bei Erreichen der Taupunkttemperatur an der kältesten Stelle der Sensoroberfläche ein. Besteht die Sensorfläche, wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, aus thermisch unterschiedlich leitenden Materialien, so betauen nur die thermisch besser leitenden Strukturen. Eine Signaländerung setzt erst ein, wenn die Kondensatmenge ausreicht, um auch benachbarte optische Strukturen zu benetzen. Diese Verzögerung der Benetzung kann, wie vorstehend beschrieben, durch Aufbringung von optisch teiltransparenten, thermisch leitenden Schichten (beispielsweise durch Sputtern) reduziert werden.
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Eine weitere Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit von mischstrukturierten Sensorflächen kann durch Nutzung der unterschiedlichen thermischen Trägheit der verwendeten Materialien erreicht werden. Mittels Ablauf eines speziellen Temperaturzyklus ist hierbei eine genaue Taupunktdertektion möglich. 4 zeigt beispielhaft den stufenförmigen Messverlauf anhand der thermischen Kennlinien 21 (thermisch gut leitende Struktur) und 26 (optische Struktur) und der optischen Kennlinie 23 (Dämpfung). Durch Kühlung des Sensorkopfes 1 sinkt die Temperatur der thermisch besser leitenden Struktur 21 (beispielsweise des Dreieckelements 8) schneller als die der optischen Struktur 26 (beispielsweise eine der Teilstrukturen 1.1-1.n). Wird nun die Kühlung kurzzeitig nach Erreichen einer Stufe 25 abgeschaltet, so erwärmt sich das thermisch besser leitende Material schneller als die optische Struktur oder das optische Material. Haben zu diesem Zeitpunkt beide Materialien die Taupunkttemperatur 22 unterschritten, wird das an der thermisch besser leitenden Struktur gebildete Kondensat durch Erwärmung frei gegeben und kann sich an der kurzzeitig kühleren optischen Struktur absetzt. Hierdurch steigt die optische Dämpfung 23 sprunghaft an. Somit wird beim Herunterkühlen beider Materialien die fallende Temperatur der optischen gegenüber der thermisch besser leitenden Struktur in einem zeitlichen Abstand folgen. Wird nun die Kühlung, nachdem beide Materialien den Taupunkt unterschritten haben, ausgesetzt, so erwärmt sich das thermisch besser leitende Material schneller. Dadurch wird das gebundene Kondensat an der thermisch besser leitenden Struktur frei gegeben und kondensiert augenblicklich an der noch kälteren (trägeren) optischen Struktur.
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Durch einen zusätzlichen Temperatursensor 37 im Messmedium, wie in den 5A und 5B dargestellt, können aufgrund der Kenntnis von Temperatur und Taupunktemperatur, weitere wettertechnische Werte mit Hilfe der optoelektronischen Auswerteeinheit 31 berechnet werden. Beispielhaft zu nennen wären relative und absolute Feuchtigkeit, Wasserdampfpartialdruck, Sättigungsdampfdruck.
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Insgesamt wird mittels eines speziell strukturierten Aufbaus von optischen und thermisch leitenden Elementen das thermische Änderungsverhalten des optischen Sensorelementes verbessert. Durch Zufügen eines aktiven Temperierelementes, zum Beispiel eines Peltierelementes, und des an die Sensorfläche gekoppelten Temperatursensors 38 ist eine Bestimmung des Taupunktes möglich. Bei faseroptischen Betauungssensorvorrichtungen mit Temperaturmessung entfällt der Temperatursensor 38. Mit Hilfe der controllergesteuerten Auswerteinheit sind dann weitere wettertechnische Daten, wie zum Beispiel die relative Luftfeuchtigkeit, berechenbar und eine Selbstkalibrierung und Fehlerkompensation ist möglich. Die besonderen Eigenschaften des Messsystems sind die einfache und robuste Bauweise. Es ist keinerlei Justierung bei Herstellung und Betrieb notwendig. Aufgrund der Verwendung von nicht hygroskopischen Materialien können sich, wie bei gebräuchlichen Messsystemen, keine Verschmutzungen in das System einlagern. Das preiswert herzustellende Messsystem ist somit langzeitstabil und aufgrund seines optischen Messprinzips relativ störunanfällig.
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Die Signalübertragung erfolgt durch optisch transparente bzw. für selektive Wellenlängen durchlässige Dichtmaterialien in druckbeaufschlagten oder abzutrennenden Messbereichen. Die konstruktiven Eigenschaften ermöglichen daher den Einsatz in Hochdruckbereichen. Daher ist die Verwendung eines nichtelektrischen Messprinzips im Messmedium möglich. Das Kühlsystem ist sowohl für Peltierelemente als auch für andere Kühlsysteme ausgelegt. Ein spezielles Messverfahren erhöht die Empfindlichkeit bestimmter Sensorkonzepte.
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Bezugszeichenliste
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| Bezugszeic chen |
Sensor a-foBt-... |
| 1 |
optischer Sensorkopf |
01, |
02, |
03 |
| 1.1 - 1.n |
Sensorkopfteilstruktur |
01 |
|
|
| 2 |
Eingangslichtwellenleiter |
01, |
02, |
03 |
| 3 |
optische Grenzfläche (links) |
01, |
02 |
|
| 4 |
optische Grenzfläche (rechts) |
01, |
02 |
|
| 5 |
Ausgangslichtwellenleiter |
01, |
02, |
03 |
| 5.1 - 5.n |
mehrere Ausgangslichtwellenleiter |
|
02 |
|
| 6 |
p-,n-dotiertes Halbleiterpaar |
|
02 |
|
| 7 |
Metallplatte oder Metallbeschichtung |
|
02 |
|
| 8 |
Dreieckselemente |
01 |
|
|
| 9 |
Grundplatte |
01 |
|
|
| 10 |
Kühleinheit |
01, |
02, |
03 |
| 11 |
Kühlkörper |
01, |
02, |
03 |
| 12 |
Isolierung |
01, |
02, |
03 |
| 13 |
optisch transparente Metallbeschichtung |
01, |
02 |
|
| 14 |
Kontaktfläche Pluspol, Stirnfläche n-dotierter Halbleiter |
|
02 |
|
| 15 |
Kontaktfläche Minuspol, Stirnfläche p-dotierter Halbleiter |
|
02 |
|
| 16 |
Sensorkern a-foBt_03 |
|
|
03 |
| 17 |
optischer Eingangskoppler |
01 |
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| 18 |
optischer Ausgangskoppler |
01 |
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| 19 |
Kondensat |
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02, |
03 |
| 20 |
Sensordicke |
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02 |
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| 21 |
Temperaturkennlinie der thermisch gut leitenden Struktur |
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02 |
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| 22 |
Kennlinie Taupunkttemperatur |
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| 23 |
opt. Dämpfungskennlinie |
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| 24 |
Betauung der optischen Struktur |
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| 25 |
messtechnische Temperaturstufe |
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| 26 |
Temperaturkennlinie der optischen Sensorkopfstruktur |
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| 27 |
Filtermaske |
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02 |
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| 28 |
optisch selektive Teilstruktur |
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02 |
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| 29 |
äußere optische Grenzfläche |
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03 |
| 30 |
innere Reflexionsfläche |
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03 |
| 31 |
elektronische Auswerteeinheit 01,02,03 |
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| 34 |
Wellenlängenspezifische Filter |
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02 |
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| 35 |
Lichtdetektor |
01, |
02, |
03 |
| 37 |
Temperatursensor im Messmedium |
01, |
02, |
03 |
| 38 |
Temperatursensor auf der Sensorfläche |
01, |
02, |
03 |
