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Stand der Technik
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In
verschiedenen Bereichen der Technik müssen gleichzeitig
verschiedene Parameter fluider Medien, also von Gasen und/oder Flüssigkeiten,
gemessen werden. Insbesondere ist für viele Anforderungen
eine gleichzeitige Messung von Druck und Temperatur erforderlich.
Zu diesem Zweck sind kombinierte Druck- und Temperaturfühler
(p-/T-Fühler) entwickelt worden, welche je nach relevantem
Anwendungsbereich optimiert sind.
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Ein
wichtiges Anwendungsbeispiel hierbei sind kombinierte Druck- und
Temperatursensoren für Kraftstoffeinspritzsysteme, beispielsweise
Speichereinspritzsysteme (Common-Rail-Systeme). Hier können
kombinierte Sensoren beispielsweise als Raildruck- und Temperatursensoren
zum Einsatz kommen, um einen Druck und eine Temperatur im Hochdruckspeicher
zu erfassen.
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Ein
weiteres wichtiges Anwendungsbeispiel sind Klimaanlagen. In Klimaanlagen
wird üblicherweise die Verdampfungswärme eines
Kühlmittels zum Abkühlen von Luft (oder eines
anderen zu kühlenden Mediums) genutzt. Anschließend
wird in einem Kompressor das Kühlmittel wieder verdichtet und
damit verflüssigt. Beim Verdichten tritt eine Erwärmung
des Kühlmittels auf. Diese aufgenommene Wärme
wird, üblicherweise an einem Gaskühler, wieder
an die Umgebung abgegeben. Der Verdichtungsvorgang mittels des Kompressors
muss dabei üblicherweise derart gesteuert werden, dass
der Betriebsdruck einen vorgegebenen Maximaldruck und die Betriebstemperatur
eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht übersteigen. Druck
und Temperatur müssen zu diesem Zweck erfasst werden. Zahlreiche weitere
Anwendungsbeispiele, in denen eine kombinierte Druck-Temperatur-Messung
erforderlich oder zumindest wünschenswert ist, sind bekannt.
Die nachfolgend beschriebene Erfindung ist aufgrund des vorgeschlagenen
kompakten und robusten Sensors insbesondere auf Anwendungen im Automobilbereich
anwendbar, ist jedoch grundsätzlich nicht auf eine bestimmte
Anwendung beschränkt und kann also beispielsweise auch
in anderen Bereichen der Naturwissenschaften, der Technik oder der
Medizin zum Einsatz kommen.
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Die
Verwendung von zwei separaten Sensoren zur Erfassung von Druck und
Temperatur stellt allgemein einen erheblichen Aufwand dar, da zumindest
zwei Stecker und mehrere Kabelstränge vorgehalten werden
müssen. Weiterhin ergeben sich durch Verwendung mehrerer
einzelner Sensoren mehrere Dichtstellen an den Schnitt- und Verbindungsstellen der
einzelnen Komponenten zueinander. Daher wird angestrebt sowohl das
Druck- als auch das Temperatursignal durch einen kompakten, kombinierten Druck-
und Temperatursensor zu erhalten. Derartige kombinierte Druck- und
Temperatursensoren sind z. B. aus
EP 1 521 061 A2 ,
DE 101 09 095 A1 sowie
aus
DE 197 45 244
A1 und
EP
0 893 676 A2 bekannt.
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Viele
der bekannten kombinierten Druck- und Temperatur-Sensoren weisen
einen Temperaturfühler auf, welcher nach einem Heißleiter-Prinzip
arbeitet, beispielsweise mittels eines Widerstands mit einem negativen
Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand). Für die Druckmessung
werden häufig piezoresistive Drucksensoren eingesetzt.
Derartige Drucksensoren verfügen häufig über
eine Silizium-Membran oder eine Stahlmembran.
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Die
bekannten Messprinzipien weisen jedoch in der Praxis den Nachteil
auf, dass die benötigten Komponenten in der Regel einen
vergleichsweise hohen Bauraum benötigen. Insbesondere bei
Messfühlern, bei welchen ein Messfinger in das fluide Medium
hineinragt ist der Bauraum in dem Messfinger in der Regel stark
begrenzt. Somit besteht das Dilemma, dass einerseits möglichst
innerhalb des Messfingers gemessen werden soll, um möglichst
unverfälschte Messergebnisse zu erzielen, dass jedoch gleichzeitig
in diesem Messfinger lediglich ein begrenzter Bauraum zur Verfügung
steht, um die Messkomponenten dort unterzubringen. Zu diesem Zweck werden
in vielen Fällen Druckbohrungen verwendet um ein fluides
Medium, durch den Messfinger oder an dem Messfinger vorbei, ins
Innere eines Sensorgehäuses zu leiten, in welchem ein größerer
Bauraum für die Aufnahme eines Drucksensorchips zur Verfügung
steht. Derartige Druckbohrungen sind jedoch störungsanfällig
und konstruktiv aufwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Messfühler zur kombinierten Druck- und Temperaturmessung
fluider Medien vorgeschlagen, welcher die beschriebenen Nachteile bekannter
kombinierter Druck und Temperaturfühler (p-/T-Fühler)
zumindest weitgehend vermeidet und einen robusten, kostengünstigen
und kompakten Aufbau ermöglicht. Der Messfühler
ist insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
ausgelegt, beispielsweise für die oben beschriebenen Anwendungen
im Bereich einer Druck- und Temperaturmessung in einem Common-Rail- System
und/oder für Druck und Temperaturmessungen im Bereich der
Klimaanlagen. Wie oben dargestellt, sind jedoch grundsätzlich
auch andere Einsatzgebiete möglich.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bekannten
Kabel-basierten und/oder Halbleiter-basierten Sensoren bekannter kombinierter
Druck- und Temperatur-Messfühler zumindest teilweise durch
optische Sensoren zu ersetzen. Derartige optische Drucksensoren
und optische Temperatursensoren sind grundsätzlich aus
anderen Bereichen der Technik als Einzelsensoren bekannt, wobei
derartige Sensoren erfindungsgemäß zu einem integrierten
Messfühler zur kombinierten Druck- und Temperaturmessung
zusammengefasst werden.
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Dementsprechend
umfasst der Messfühler mindestens einen optischen Temperatursensor,
welcher eingerichtet ist, um mindestens ein optisches Signal entsprechend
einer auf den optischen Temperatursensor einwirkenden Temperatur
des fluiden Mediums zu erzeugen. Ins besondere kann dieser optische
Temperatursensor einen faseroptischen Temperatursensor umfassen,
also einen auf einer Lichtwellenleiteroptik, insbesondere einer
Faseroptik, basierenden Temperatursensor. Dies ist besonders vorteilhaft,
da sich auf diese Weise beispielsweise das oben beschriebene Messfinger-Prinzip
bekannter p-/T-Messfühler erfindungsgemäß übernehmen
und verbessern lässt.
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Der
optische Temperatursensor generiert also mindestens ein optisches
Signal, welches temperatursensitiv ist, und aus welchem sich direkt
oder indirekt auf eine Temperatur des fluiden Mediums schließen
lässt. Dieses optische Signal lässt sich entsprechend
innerhalb oder außerhalb des Messfühlers in ein
elektrisches Temperatursignal umwandeln.
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Zur
Generierung des optischen Signals für die Temperaturmessung
lassen sich grundsätzlich eine Vielzahl von Messprinzipien
einsetzen, bei denen ein optischer Vorgang durch eine Temperatur
beeinflusst wird. Derartige optische Vorgänge können beispielsweise
einen oder mehrere der folgenden Vorgänge umfassen: eine
Reflexion, eine Transmission, eine Lumineszenz, insbesondere eine
Phosphoreszenz und/oder eine Fluoreszenz, eine andere Art von optischer
Anregung oder Ähnliches.
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Insbesondere
kann der optische Temperatursensor mindestens ein optisches Temperatursensorelement
umfassen, insbesondere einen Sensorkristall. Alternativ oder zusätzlich
kann das optische Temperatursensorelement beispielsweise auch ganz oder
teilweise in einen Lichtwellenleiter integriert sein und/oder in
einer anderen Form vorliegen. Das optische Temperatursensorelement
soll eingerichtet sein, um mindestens eine optische Eigenschaft
entspre chend der Temperatur des fluiden Mediums zu verändern,
insbesondere eine Lumineszenzeigenschaft.
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Derartige
optische Temperatursensorelemente sind in Form von optischen Sensorkristallen grundsätzlich
bekannt. Das Sensorprinzip kann beispielsweise auf einem temperaturabhängigen
Lumineszenzverhalten des Sensorkristalls beruhen. Als Beispiele
derartiger Kristalle sind Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle (YAG)
bekannt, welche in der Regelt dotiert sind, beispielsweise mit Chrom.
Der Kristall bildet in diesem Fall ein kubisches Wirtsgitter für
die lumineszierende Dotierung, beispielsweise für Cr3+-Ionen. Auch andere lumineszierende dotierte Kristalle
sind bekannt. Die Kristalle können beispielsweise mit dem
Licht einer gepulsten Lichtquelle, beispielsweise einer gepulsten
Leuchtdiode, angeregt werden. Diese Anregung kann beispielsweise über einen
Lichtwellenleiter erfolgen. Da die Nachleuchtdauer der Lumineszenz
des Sensorkristalls temperaturabhängig ist, kann die Temperatur
beispielsweise aus dem optischen Signal in Form dieser zeitlichen Information
der Nachleuchtdauer bestimmt werden. So lässt sich beispielsweise
mittels eines entsprechenden Detektors, welcher beispielsweise mit
dem Sensorkristall über einen Lichtwellenleiter verbunden sein
kann, das Lumineszenzlicht aufnehmen und beispielsweise aus einer
oder mehreren Relaxationszeiten die Temperatur bestimmen. An dem
Detektor, welcher beispielsweise eine oder mehrere Photodioden umfassen
kann, steht das Lumineszenz-Abklingverhalten als optisches Signal
zur Verfügung, welches über den Detektor beispielsweise
in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Die Auswertung
dieses Signals kann ganz oder teilweise innerhalb und/oder außerhalb
des Messfühlers erfolgen, beispielsweise durch Vergleich
des optischen Signals bzw. des elektrischen Signals mit einer Wertetabelle
und/oder mittels einer empirischen, analytischen oder semiempirischen
Auswertung. Derartige Auswertealgorithmen sind bekannt und lassen
sich beispielsweise auch leicht elektronisch umsetzen, beispielsweise
unter Verwendung einer oder mehrerer in den Messfühler
integrierten Datenverarbeitungsvorrichtungen oder mittels externer
Datenverarbeitungsvorrichtungen.
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Auch
andere Arten optischer Temperatursensoren sind bekannt und lassen
sich grundsätzlich in dem erfindungsgemäßen
kombinierten Druck- und Temperatur Messfühler einsetzen.
So lassen sich beispielsweise optische Bimetall-Messfühler
verwenden, bei welchen, gesteuert durch einen Bimetallstreifen,
beispielsweise eine optische Transmission und/oder eine optische
Reflexion durch eine Temperatur des fluiden Mediums beeinflusst
wird. Dabei wird mittels des Bimetallstreifens beispielsweise die Ausrichtung
eines optischen Elements, zum Beispiel eines beweglichen Faserendes,
verändert, wodurch ein aufgenommenes Lichtsignal verstärkt
oder abgeschwächt wird. Auch andere optische Messprinzipien sind
bekannt und alternativ oder zusätzlich einsetzbar. Beispiele
derartiger optischer Messprinzipien für Temperaturmessungen,
auf die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zurückgegriffen werden kann,
sind in dem Vorlesungsskript „Sensoren II" der Fern
Universität in Hagen, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik,
2005, S. 65–71, beschrieben.
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Neben
dem optischen Temperatursensor umfasst der kombinierte Druck und
Temperatur-Messfühler weiterhin mindestens einen optischen Drucksensor,
welcher eingerichtet ist, um mindestens ein optisches Signal entsprechend
eines auf den optischen Drucksensor einwirkenden Drucks des fluiden
Mediums zu erzeugen. Wiederum kann dieser optische Drucksensor insbesondere
einen faseroptischen Drucksensor umfassen, also einen auf einer Lichtwellenleiteroptik,
insbesondere einer Faseroptik, basierenden Drucksensor. Analog zu
dem optischen Temperatursignal, welches oben beschrieben wurde,
lässt sich auch dieses optische Drucksignal in eine entsprechendes
elektrisches Signal umwandeln. Auch hierfür können
wiederum entsprechend ein oder mehrere Detektoren vorgesehen sein.
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Auch
das Prinzip der optischen Druckmessung ist grundsätzlich
als Einzelsensor bekannt. Wiederum lassen sich verschiedene Messprinzipien
einsetzen, bei welchen durch den Druck des fluiden Mediums entsprechende
optische Signale erzeugt werden. Ein mögliches Sensorprinzip
ist beispielsweise das Prinzip, bei welchem der optische Drucksensor mindestens
eine Sensormembran aufweist, welche sich, entsprechend dem Druck
des fluiden Mediums, durchbiegen kann. Der optische Drucksensor
kann dann eingerichtet sein, um eine Durchbiegung der Sensormembran
auf optischem Wege zu messen, beispielsweise über ein Reflexionsprinzip,
bei welchem die Reflexion eines oder mehrerer Lichtstrahlen an der
Sensormembran bzw. die Direktionalität dieser Reflexion
gemessen wird. Die Membran kann beispielsweise als elastische Membran
ausgestaltet sein und kann beispielsweise wiederum eine Siliziummembran
und/oder eine Metallmembran, wie beispielsweise eine Stahlmembran,
aufweisen. Auch Kunststoffmembranen sind grundsätzlich
denkbar.
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Die
Durchbiegung kann beispielsweise wiederum mittels einer Lichtwellenleiteroptik
gemessen werden, bei welcher mittels eines Lichtwellenleiters ein
Lichtstrahl zu der Sensormembran geführt wird, dort reflektiert
wird, um anschließend in denselben Lichtwellenleiter und/oder
einen anderen Lichtwellenleiter eingekoppelt zu werden. Die Einkopplung des
reflektierten Lichtstrahls in den Lichtwellenleiter hängt
von der Durchbiegung der Sensormembran ab, so dass die Intensität
des reflektierten, vom Lichtwellenleiter aufgenommenen und von einem
Detektor detektierten Reflexionslicht ein Maß für
die Druckdifferenz dargstellt, welche an der Sensormembran auftritt.
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Wiederum
sind alternativ oder zusätzlich jedoch auch andere optische
Druckmessprinzipien einsetzbar, so dass die Erfindung nicht auf
die Verwendung einer Reflexionsmembran beschränkt ist Beispielsweise
kann auch eine Faserkrümmung einer optischen Faser oder
einer anderen Art von Lichtwellenleiter durch einen Druck des fluiden
Mediums beeinflusst werden. Da eine Transmission durch die Faser
jedoch in vielen Fällen von der Faserkrümmung beeinflusst
wird, kann aus der Transmission wiederum auf den Druck geschlossen
werden. Dieses Messprinzip kann auch mit einer Druckmembran kombiniert
werden, da der Druck des fluiden Mediums beispielsweise über
die Membran auf die Faser übertragen werden kann. Daneben
sind zahlreiche weitere optische Druckmessverfahren bekannt und
im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Beispiele derartiger
optischer Messprinzipien für Druckmessungen, auf die auch
im Rahmen der vorliegenden Erfindung zurückgegriffen werden
kann, sind in dem Vorlesungsskript „Sensoren I" der
FernUniversität in Hagen, Fachbereich Elektrotechnik und
Informationstechnik, 2004, S. 63–70, beschrieben.
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Durch
die erfindungsgemäße Verwendung optischer Messprinzipien
sowohl für die Temperaturmessung als auch für
die Druckmessung in dem kombinierten Messfühler lässt
sich ein erheblicher Bauraum einsparen. Es ist möglich,
sowohl mechanische als auch elektrische Bauteile für beide
Messungen und für die Wandlung der Signale in elektrische Signale
zu verwenden. Da beide Messungen auf einem optischen Prinzip beruhen,
lassen sich auch, wie unten näher dargestellt wird, verschiedene
Komponenten des Messfühlers für das Temperatursensorelement
und das Drucksensorelement gemeinsam verwenden, so dass, was bei
herkömmlichen kombinierten Druck- und Temperatursensoren
nur in beschränktem Umfang möglich ist, Synergieeffekte
genutzt werden können, was weitere Kosten und weiteren
Bauraum einsparen kann.
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Besonders
ausgeprägt sind die dargestellten Vorteile, wenn faseroptische
Temperatursensorelemente und/oder faseroptische Drucksensorelemente eingesetzt
werden. Dementsprechend kann der Messfühler, wie oben dargestellt,
mindestens einen Lichtwellenleiter umfassen. Dieser Lichtwellenleiter kann
grundsätzlich beispielsweise ein starrer oder flexibler
Lichtwellenleiter sein, wofür sich beispielsweise Kunststoffe
und/oder Gläser verwenden lassen. Beispielsweise lassen
sich Quarzfasern und/oder Kunststofffasern als Lichtwellenleiter
einsetzen, wobei auch komplexe Faserquerschnitte möglich
sind, beispielsweise Mantel-Kern-Faserquerschnitte oder Gradientenquerschnitte.
Auch einfache Lichtwellenleiter lassen sich jedoch einsetzen, beispielsweise
spritzgegossene starre Lichtwellenleiter aus einem transparenten
Kunststoffmaterial.
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Der
mindestens eine Lichtwellenleiter kann insbesondere einen mit dem
fluiden Medium in Kontakt bringbaren Messbereich des Messfühlers
mit einem Ansteuer- und Auswertebereich des Messfühlers
verbinden. Unter einem Messbereich ist dabei ein zusammenhängender
oder auch in mehrere Teilbereiche unterteilter räumlicher
Bereich des Messfühlers zu verstehen, in welchem zumindest
teilweise die druck- bzw. temperatursensitiven Komponenten des Drucksensors
bzw. des Temperatursensors angeordnet sind und welcher direkt oder
indirekt mit dem Druck bzw. der Temperatur des fluiden Mediums beaufschlagbar
ist, beispielsweise über eine Membran und/oder über
ein anderes, den Druck bzw. die Temperatur übertragendes
Element.
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So
kann beispielsweise das oben beschriebene Messfinger-Prinzip realisiert
werden, bei welchem ein Messfinger mit dem Messbereich in das fluide
Medium hineinragt, wobei sich der Lichtwellenleiter ganz oder teilweise
durch den Messfinger hindurch hin zu dem Messbereich erstreckt.
Auf diese Weise können Lichtquellen und/oder Detektoren
beispielsweise in dem Ansteuer- und Auswertebereich des Messfühlers
außerhalb des fluiden Mediums angeordnet werden und über
einen oder mehrere Lichtwellenleiter mit dem Messbereich verbunden
werden.
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So
kann insbesondere der optische Drucksensor mindestens einen mit
einer ersten Lichtquelle verbundenen ersten Lichtwellenleiter und
mindestens einen mit einem ersten Detektor verbundenen zweiten Lichtwellenleiter
aufweisen, wobei der erste und zweite Lichtwellenleiter in den Messbereich
geführt werden können. Der erste und zweite Lichtwellenleiter
können auch zu einem gemeinsamen Lichtwellenleiter zusammengefasst
sein.
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Entsprechend
kann der optische Temperatursensor mindestens einen mit einer zweiten
Lichtquelle verbundenen ersten Lichtwellenleiter und mindestens
einen mit einem zweiten Detektor verbundenen zweiten Lichtwellenleiter
aufweisen, wobei auch diese Lichtwellenleiter zusammengefasst sein
können zu einem gemeinsamen Lichtwellenleiter. Weiterhin
können auch ein oder mehrere Lichtwellenleiter des optischen
Drucksensors und des optischen Temperatursensors zu einem gemeinsam
verwendeten Lichtwellenleiter zusammengefasst sein. Auch Detektoren
und/oder Lichtquellen des optischen Temperatursensors und des optischen
Drucksensors können zu gemeinsamen Lichtquellen bzw. Detektoren
zusammengefasst sein.
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Wie
oben beschrieben, kann der Messfühler insbesondere als
Steckfühler ausgestaltet sein und eingerichtet sein, um
in einem das fluide Medium aufnehmenden Gehäuse fixiert
zu werden. Dieses Gehäuse kann beispielsweise eine Rohrleitung
sein, wie beispielsweise eine Rohrleitung eines Kühlmediums und/oder
eines Speichereinsprtizsystems, oder kann eine andere Art von Gefäßwand
zur Aufnahme des fluiden Mediums sein.
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Der
Steckfühler weist mindestens einen in das fluide Medium
hineinragenden Messfinger auf, an dessen Ende vorzugsweise der oben
beschriebene Messbereich angeordnet sein kann. Beispielsweise kann
dieser Messfinger derart eingerichtet sein, dass der Messbereich in
der Mitte einer Rohrleitung angeordnet ist, um beispielsweise strömungsbedingte
Verfälschungen des Drucks und/oder der Temperatur zu vermeiden.
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Weiterhin
weist der Steckfühler mindestens einen Messfühlerkörper
auf, welcher eingerichtet ist, um mindestens eine elektronische
Ansteuer- und Auswertekomponente des Messfühlers aufzunehmen.
Beispielsweise kann diese Ansteuer- und Auswertekomponente des Messfühlers
ein oder mehrere elektronische Bauelemente umfassen und/oder eine oder
mehrere elektronische Platinen. Auf diese Weise kann die Ansteuerung
und/oder die Auswertung ganz oder teilweise innerhalb des Messfühlers
erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können jedoch
auch externe Ansteuer- und Auswertekomponenten vorgesehen sein,
beispielsweise externe Anregungslichtquellen und/oder externe Auswertekomponenten, welche
mit dem Messfühler über entsprechende Schnittstellen
verbunden sein können.
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Zur
Fixierung des Steckfühlers in dem Gehäuse kann
der Messfühler beispielsweise eine oder mehrere Dichtungen
umfassen und/oder Fixiervorrichtungen, wie beispielsweise ein oder
mehrere Gewinde. Auch andere Arten von Verbindungen und Fixierungen,
insbesondere kraftschlüssiger und/oder formschlüssiger
Art, sind denkbar. Darüber hinaus kann der Messfühler
weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise eine oder mehrere
Steckverbindungen als Schnittstelle zur Übermittlung elektrischer
und/oder optischer Signale sowie beispielsweise zur Energieversorgung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A bis 1C verschiedene
perspektivische Teilansichten eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Messfühlers;
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1D eine
Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Messfühlers
gemäß den 1A bis 1C;
und
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2 eine
schematische Blockdarstellung des Messaufbaus eines erfindungsgemäßen
Messfühlers.
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In
den 1A bis 1D ist
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messfühlers 110 für eine kombinierte
Druck- und Temperaturmessung dargestellt. Dabei zeigen die 1A und 1B perspektivische
Teilschnittdarstellungen aus verschiedenen Blickwinkeln, wohingegen 1C eine
perspektivische Ausschnittsdarstellung eines Messbereichs 112 zeigt.
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Der
Messfühler 110 ist dabei als Steckfühler ausgestaltet
und weist einen Messfinger 114 auf, welcher den Messbereich 112 umfasst
und welcher eingerichtet ist, um in ein das fluide Medium (beispielsweise
ein Gas und/oder eine Flüssigkeit) aufnehmendes Gehäuse
mittels eines Gewindes 116 eingeschraubt zu werden. An
den Messfinger 114 schließt sich auf einer vom
Messbereich 112 abgewandten Seite ein Messfühlerkörper 118 an,
welcher vom Messfinger 114 über eine Trennplatte 120,
beispielsweise eine sechskantförmige Trennplatte 120 (Sechskant)
getrennt ist. In einem Innenraum des Messfühlerkörpers 118 kann
mindestens eine Ansteuer- und Auswertekomponente in Form einer Ansteuer-
und Auswerteelektronik 122 angeordnet sein, die in den
Figuren lediglich teilweise dargestellt ist und welche beispielsweise
auf einer oder mehreren Leiterplatten 124 (siehe 1B)
angeordnet sein kann. Diese Ansteuer- und Auswerteelektronik 122 kann
beispielsweise eine sensorspezifische Auswerte-Elektronik 126 und
eine Optoelektronik 128 (für beides siehe die
Darstellung in 1A) umfassen. Weiterhin kann
der Messfühler 110 eine Schnittstelle 130 einer
Steckverbindung umfassen, um den Messfühler 110 von
außen zu kontaktieren. Diese Schnittstelle 130 kann
beispielsweise einen oder mehrere Steckkontakte 132 umfassen
und/oder andere Arten von Schnittstellen.
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Weiterhin
kann der Messfühler 110 eine oder mehrere Dichtungen
umfassen, um eine abdichtende Fixierung des Steckfühlers
in einem Gehäuse zu gewährleisten. Beispielsweise
ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Dichtkonus 134 am Übergang
zwischen der Trennplatte 120 und dem Messfinger 114 vorgesehen.
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Der
Messfühler 110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen faseroptischen Temperatursensor, welcher allgemein mit der
Bezugsziffer 136 bezeichnet ist, und einen faseroptischen
Drucksensor, welcher allgemein mit der Bezugsziffer 138 bezeichnet
ist. Beide Sensoren 136, 138 sind aus mehreren
Komponenten zusammengesetzt und teilen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Lichtwellenleiter 140, 142. Diese Lichtwellenleiter 140, 142 erstrecken
sich von dem Messbereich 112 durch den Messfinger 114 hindurch
in einen Ansteuer- und Auswertebereich 144 im Inneren des Messfühlerkörpers 118.
Auf diese Weise können beispielsweise in der Ansteuer-
und Auswerteelektronik 122 entsprechende Lichtquellen und/oder
Detektoren für die Sensoren 136, 138 vorgesehen
sein, welche über die Lichtwellenleiter 140, 142 mit
dem Messbereich 112 verbunden sind, wel che in den 1A bis 1D nicht
im Detail dargestellt sind und für welche beispielsweise
auf die Beschreibung der 2 unten verwiesen werden kann.
Die beiden Lichtwellenleiter 140, 142 können
beispielsweise Kunststofffasern und/oder Quarzfasern umfassen. Die
Lichtwellenleiter 140, 142 können auch
zu einem einzelnen Lichtwellenleiter zusammengefasst sein, oder
es können mehr als zwei Lichtwellenleiter vorgesehen sein.
Die Lichtwellenleiter 140, 142 können beispielsweise
in einem Lichtwellenleiter-Körper 146 integriert
sein, beispielsweise indem die Lichtwellenleiter 140, 142 durch
Umspritzen in diesen Lichtwellenleiter-Körper 146 eingebettet
werden. Auf diese Weise kann den Lichtwellenleitern 140, 142 eine
erhöhte Robustheit verliehen werden, und der Messfühler 110 kann
robust gegenüber mechanischen Belastungen ausgestaltet
werden. Alternativ oder zusätzlich können die
Lichtwellenleiter 140, 142 auch ganz oder teilweise
als starre Lichtwellenleiter ausgestaltet sein, beispielsweise als
spritzgegossene, transparente Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter-Körper 146 kann
beispielsweise in ein Gehäuse des Messfingers 114 eingeschoben
werden, beispielsweise in eine konische Bohrung im Inneren dieses
Messfingers 114.
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Anhand
der 2 soll ein einfaches, schematisches Ausführungsbeispiel
des Funktionsprinzips des faseroptischen Temperatursensors 136 und des
faseroptischen Drucksensors 138 mittels eines schematischen
Planes des Messfühlers 110 erläutert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch zahlreiche weitere Ausführungsformen
der optischen Messprinzipien für die Temperaturmessung
und die Druckmessung möglich sind und beispielsweise in das
Ausführungsbeispiel des Messfühlers gemäß den 1A bis 1D integriert
werden können.
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Der
faseroptische Temperatursensor 136 umfasst in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel einen Sensorkristall 148,
welcher im Messbereich 112 am Ende der Faser 140 angeordnet
ist. Wie oben dargestellt, kann es sich bei diesem Sensorkristall 148 beispielsweise
um einen Chrom-dotierten YAG-Kristall (Cr:YAG) handeln. Der Sensorkristall 148 befindet
sich im Messbereich 112, in welchem dieser unmittelbar
oder mit lediglich geringfügigen Verfälschungen
der Temperatur des fluiden Mediums ausgesetzt ist. Über
den Lichtwellenleiter 140 ist der Sensorkristall 148 mit
einer Lichtquelle 150 für die Temperaturmessung
verbunden. Diese Lichtquelle 150 kann, wie oben dargestellt,
beispielsweise eine gepulst betriebene Leuchtdiode umfassen, welche beispielsweise
als Anregungslichtquelle für eine Lumineszenz in dem Sensorkristall 150 dient,
und/oder eine andere Art von Lichtquelle, beispielsweise eine oder
mehrere Laserdioden. Diese Lichtquelle 150 ist in 2 lediglich
schematisch dargestellt. Das Licht dieser Lichtquelle 150 kann
beispielsweise über Strahlteiler 152, 154 in
den Lichtwellenleiter 140 eingekoppelt werden.
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Weiterhin
umfasst der faseroptische Temperatursensor 136 einen Detektor 156,
welcher in 2 ebenfalls lediglich symbolisch
angedeutet ist. Dieser Detektor 156 kann beispielsweise
eine oder mehrere Photodioden umfassen. Nicht dargestellt in 2 sind
weitere elektronische Komponenten des faseroptischen Temperatursensors 136,
beispielsweise für die Ansteuerung der Lichtquelle 150 und
die Auswertung der Detektorsignale, um aus den von diesem Detektor 156 aufgenommenen
optischen Signalen elektrische Signale zu erzeugen.
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Der
faseroptische Temperatursensor 136 kann beispielsweise
nach dem oben beschriebenen Prinzip funktionieren. So kann der Sensorkristall 148 mittels
der Lichtquelle 150 über den Lichtwellenleiter 140 zur
Lumineszenz angeregt werden, wobei des Lumineszenzlicht in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ebenfalls über den Lichtwellenleiter 140 aufgenommen
und vom Detektor 156 erfasst werden kann. Alternativ kann
das Lumineszenzlicht jedoch auch von einem separaten Lichtwellenleiter
aufgenommen werden, beispielsweise dem Lichtwellenleiter 142.
Beispielsweise kann aus den Abklingzeiten der Lumineszenz, welche
beispielsweise gepulst angeregt werden kann, auf die Temperatur
des Sensorkristalls 136 und somit des fluiden Mediums geschlossen
werden. Eine Auswertungselektronik, welche diese Abklingzeiten erfasst
und in Temperatursignale umwandelt, welche ebenfalls ganz oder teilweise
in dem Messfüler 110 integriert sein kann, ist
in 2 nicht dargestellt.
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Auch
für einen Beispielaufbau des faseroptischen Drucksensors 138 kann
auf 2 verwiesen werden. Der faseroptische Drucksensor 138 umfasst in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 158,
welche wiederum beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden und/oder
andere Arten von Lichtquellen, wie beispielsweise eine oder mehrere
Laserdioden, umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich
können jedoch auch andere Lichtquellen verwendet werden.
Wieder weiterhin kann, optional, die Lichtquelle 158 auch
ganz oder teilweise mit der Lichtquelle 150 für
die Temperaturmessung zusammengefasst sein, da grundsätzlich
für die Temperaturmessung und die Druckmessung auch Licht,
beispielsweise gleicher Wellenlänge, eingesetzt werden kann.
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Die
Lichtquelle 158 ist über den Lichtwellenleiter 142 mit
dem Messbereich 112 verbunden. Die Druckmessung erfolgt
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel extrinsisch über
eine in dem Messbereich 112 angeordnete Sensormembran 160.
Diese Sensormembran 160, welche auch in den 1A, 1B und 1D angedeutet
ist, ist bei der Detailansicht des Messbereichs 112 gemäß 1C nicht dargestellt,
um die Enden der Lichtwellenleiter 140, 142 erkennen
zu lassen, sowie den Sensorkristall 148.
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Das
von der Lichtquelle 158 ausgehende, vom Lichtwellenleiter 142 geleitete
Licht des Detektors 156 wird an der Sensormembran 160,
welche beispielsweise unmittelbar dem Druck des fluiden Mediums
ausgesetzt sein kann und welche sich entsprechend durchbiegt, reflektiert,
und das Reflexionslicht wird von dem Lichtwellenleiter 140 aufgenommen
und über diesen und den Strahlteiler 154 zu einem
Detektor 162 für die Druckmessung geleitet. Wiederum
kann dieser Detektor 162 beispielsweise eine oder mehrere
Photodioden umfassen, um optische Signale des faseroptischen Drucksensors 138 in
entsprechende elektrische Signale umzuwandeln.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 dient
der Lichtwellenleiter 140, also sowohl der Rückleitung
der Druckmessung für den Drucksensor 138 als auch
als Lichtwellenleiter für den Temperatursensor 136.
Beide Sensoren 136, 138 teilen sich also diese
optische Komponente des Lichtwellenleiters 140. Alternativ
oder zusätzlich können auch andere optische und/oder
elektronische Komponenten von beiden Sensoren 136, 138 gemeinsam
genutzt werden. So kann beispielsweise der Detektor 162 ganz
oder teilweise mit dem Detektor 156 identisch sein. Auch
die Lichtquelle 158 kann ganz oder teilweise mit der Lichtquelle 150 kombiniert
werden. Weiterhin werden in dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel bei dem faseroptischen Drucksensor 138 zwei
getrennte Lichtwellenleiter 140, 142 verwendet,
einer für die Hinleitung und einer für die Rückleitung.
Auch dies kann grundsätzlich auf andere Weise ausgestaltet
sein, beispielsweise indem, ähnlich zu dem dargestellten
Beispiel der Temperaturmessung, für die Hin- und Rückleitung
ein und derselbe Lichtwellenleiter 140, 142 verwendet wird.
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Werden,
sei es für die Temperaturmessung oder für die
Druckmessung, in ein und demselben Lichtwellenleiter verschiedene
optische Signale geleitet, so kann die Trennung dieser Signale auf
optische und/oder elektrische Weise erfolgen. Dargestellt in 2 ist
beispielsweise eine optische Trennung mittels der Strahlteiler 152, 154.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Trennung durch
geeignete Messschemata erfolgen, beispielsweise gepulste Messschemata
mit einem bestimmten Zeitablauf in welchem beispielsweise Druck-
und Temperaturmessungen und/oder Anregungen und Auswertungen zeitlich
getrennt erfolgen. So kann der mindestens eine Lichtwellenleiter 140, 142 an
eine entsprechende Optoelektronik angeschlossen werden, welche in 2 wiederum
als Ansteuer- und Auswerteelektronik 122 bezeichnet ist
und welche lediglich teilweise dargestellt ist. Die Signale für
die Druck- und Temperaturmessung können hier, wie beschrieben,
beispielsweise faseroptisch und/oder elektronisch separiert werden
und der weiteren Auswertung, beispielsweise in der sensorspezifischen
Auswerteelektronik 126 (siehe 1A), zugeführt
werden. Verfahren zur Separierung und Auswertung der Signale, beispielsweise
mittels wellenlängenselektiver Elemente, sind dem Fachmann
bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
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Sowohl
die Optoelektronik, als auch die sensorspezifische Auswerteelektronik 126 können
auf der mindestens einen Leiterplatte 124 untergebracht werden.
Die Weiterleitung der elektrischen Signale, welche aus den entsprechenden
optischen Signalen der Sensoren 136, 138 erzeugt
werden können, hin zur Schnittstelle 130 kann
beispielsweise über Federkontakte oder Ähnliches
erfolgen.
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Der
prinzipielle, von außen sichtbare Aufbau des Messfühlers 110 gemäß den
dargestellten Ausführungsbeispielen kann bekannten Sensoren
entsprechen, wie beispielsweise bekannten Raildrucksensoren oder
herkömmlichen Druck/Temperatur-Sensoren (PTS). Durch die
Platzeinsparung kann jedoch der Messfühler 110 ganz
oder teilweise kompakter ausgestaltet sein, so dass beispielsweise
dies Trennplatte 120 kleiner ausgeführt werden
kann, was gleichzeitig nach sich zieht, dass auch kleinere Schnittstellen 130 bzw.
kleinere Steckkontakte 132 verwendet werden können
oder sogar müssen. Zusätzlich wird im Bereich
des Sensorkristalls 148 Platz eingesart, so dass der Messfühler 110 auch
im Bereich des Gewindes 116 schlanker ausgeführt
werden kann als herkömmliche Messfühler, so dass
weniger Platz beansprucht wird und damit auch eine geringere Anfälligkeit
bzw. höhere Beständigkeit gegenüber Schüttelbeanspruchungen
gegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1521061
A2 [0004]
- - DE 10109095 A1 [0004]
- - DE 19745244 A1 [0004]
- - EP 0893676 A2 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Sensoren
II” der Fern Universität in Hagen, Fachbereich
Elektrotechnik und Informationstechnik, 2005, S. 65–71 [0014]
- - „Sensoren I” der FernUniversität
in Hagen, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, 2004,
S. 63–70 [0018]