DE102009049479A1

DE102009049479A1 - Einbindung eines Lichtwellenleiters eines Messsensors in ein Bauteil

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Publication number: DE102009049479A1
Application number: DE102009049479A
Authority: DE
Inventors: Gereon Fehlemann
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: RU2480720C1; CN102405396A; KR20110116229A; EP2440883A2; CN102405396B; MY153448A; MX2011011463A; WO2010142410A2; EP2440883B1; US20120082182A1; DE102009049479B4; KR101181255B1; WO2010142410A3

Abstract

Bei einem Verfahren zur Einbindung eines Lichtwellenleiters (3) eines Temperatur- und/oder Spannungsmesssenors in ein aus einem Grundwerkstoff (2) mit darauf aufgebrachter Beschichtung (5) bestehendes Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1), wobei der Lichtwellenleiter (3) in einer vorgesehenen Messebene angeordnet und anschließend eine bedeckende Beschichtung (5) aufgetragen wird, soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, eine exakte und enge Einbindung und Anbindung eines Lichtwellenleiters (3) in und an den Körper eines Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Lichtwellenleiter (3) in, auf oder an einer den Grundwerkstoff (2) des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) begrenzenden und eine vorgesehene Messebene ausbildenden Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) angeordnet wird und anschließend auf diese aus dem Grundwerkstoff (2) gebildete Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) ein Beschichtungswerkstoff (5a) unter Ausbildung der den Lichtwellenleiter (3) oder ein den Lichtwellenleiter (3) umgebendes Rohr (4) an den Grundwerkstoff (2) und/oder angrenzende Beschichtungsbereiche anbindende Beschichtung (5) aufgetragen wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Einbindung eines Lichtwellenleiters eines Temperatur- und/oder Spannungsmesssensors in ein aus einem Grundwerkstoff mit darauf aufgebrachter Beschichtung bestehendes Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil, wobei der Lichtwellenleiter in einer vorgesehenen Messebene angeordnet und anschließend eine bedeckende Beschichtung aufgetragen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messbauteil mit einem eingebundenen Lichtwellenleiter eines Temperatur- und/oder Spannungsmesssensors, das aus einem Grundwerkstoff mit darauf aufgebrachter Beschichtung aufgebaut ist, wobei der Lichtwellenleiter in einer vorgesehenen Messebene angeordnet und von einer Beschichtung überdeckt ist.
Es ist bekannt, zur Temperaturmessung Lichtwellenleiter einzusetzen und in ein Temperaturmessbauteil einzubauen. Solch ein Temperaturmessbauteil kann ein zur Temperaturmessung an ein Maschinen- oder Anlagenelement anzubauendes, einen eingebetteten Sensor aufweisendes Bauteil wie eine Temperaturmesssonde, aber auch ein ein heißes Fluid aufnehmendes Gefäß oder ein Behälter, wie z. B. ein Wärmetauscher oder ein Ofen, sein. Um Betriebszustände und/oder Verschleiß zu erkennen, wird an den Bauteilen die Temperatur gemessen, gegebenenfalls an mehreren Stellen. Für die Messung der Temperatur sind Lichtwellenleiter als Sensor und Messwertaufnehmer und entsprechende Auswerteeinheiten bekannt.
Ebenso ist es bekannt, derartige Lichtwellenleiter auch zur Messung mechanischer Spannungen oder mechanischer Spannungszustände zu verwenden. Hierzu werden die Lichtwellenleiter als Bestandteil eines mechanische Spannungen detektierenden Spannungsmesssensors in ein Spannungsmessbauteil eingebaut, dessen mechanische Spannungen ermittelt werden sollen. In diesem Sinne wird nachfolgend der begriff „Spannungsmessbauteil” verwendet. Glasfaserleiter oder Lichtwellenleiter werden auch zur Messung mechanischer Spannungen verwendet. Dazu muss die jeweilige Lichtwellenleiterfaser, insbesondere Glasfaser, oder ein Bündel an Fasern fest in die jeweilige Matrix, insbesondere die sie jeweils umgebende Materialmatrix, eingebunden sein.
Zur Temperaturmessung sind die Lichtwellenleiter, z. B. in Form von Glasfasern, häufig in ein schützendes Metallrohr eingelassen, welches an der Stelle angeordnet ist, an der die Temperatur eines Bauteils oder eines Mediums gemessen werden soll. Um eine genaue Messung durchführen zu können, muss das Metallrohr möglichst eng und dicht und möglichst ohne einen Luftspalt oder Luftzwischenraum auf der Oberfläche des Bauteils oder des Werkstoffs oder des Mediums aufliegen, dessen Temperatur gemessen werden soll. Um dies zu ermöglichen, sind in der Fläche des Bauteils gefräste Nute oder Bohrungen vorhanden, in oder auf welchen das Metallrohr liegt. Aufgrund üblicher Maßabweichungen und Toleranzen ist hierbei aber nicht sichergestellt, dass das Metallrohr in jedem Fall eng und unmittelbar an der Oberfläche und damit an dem Werkstoff des Bauteils anliegt.
Außerdem ist diese Art des Anbringens eines Lichtwellenleiters je nach geometrischer Ausformung des Bauteils oder der möglichen mechanischen Bearbeitung Beschränkungen unterworfen.
Aus der gattungsgemäßen US 5,996,219 A ist ein Verfahren zum Einkapseln von elektrischen oder optischen Komponenten eines Sensors in hochwarmfestes Metall bekannt. Hierbei wird auf die Beschichtung eines aus einem Grundwerkstoff und einer Beschichtung bestehenden Substrats ein Lichtwellenleiter aufgebracht und in eine weitere, mehrschichtig darauf aufgebrachte, auch Metall umfassende Beschichtung eingebettet. Durch die Einkapselung oder Einbettung soll ein Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen erreicht werden. Die so hergestellte Temperatur- oder Spannungsmesssonde oder ähnliche Komponente stellt aber nicht unmittelbar das Bauteil dar, dessen Temperatur oder mechanische Spannung oder Ähnliches gemessen werden soll. Sie wird vielmehr offenbar an einem solchen Bauteil erst noch befestigt. Das Einkapseln oder Einbetten erfolgt mit vielen unterschiedlichen Schichten und ist entsprechend aufwändig.
Die US 6,944,360 B2 offenbart einen Temperatur-/Druck-Sensor, der in hochwarmfestes Metall eingebettet ist. Auch hier ist die Einbettung mehrschichtig und entsprechend aufwändig.
Aus der WO 2004/015349 A2 ist ein Schmelzofen bekannt, dessen Betriebszustand mit Hilfe von Lichtwellenleitern überwacht wird. Die Lichtwellenleiter sind zwischen einer feuerfesten Schicht, die eine Wärmequelle umgibt, und einer Außenwand des Schmelzofens angeordnet. Die Lichtwellenleiter sind z. B. auf einer flexiblen Matte befestigt. Eine exakte Zuordnung der gemessenen Temperaturen zu einer eng begrenzten Messstelle ist nicht möglich, weil die Temperaturen über Strahlung an die Lichtwellenleiter übertragen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine exakte und enge Einbindung und Anbindung eines Lichtwellenleiters in und an den Körper eines Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils zu erreichen.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lichtwellenleiter in, auf oder an einer den Grundwerkstoff des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils begrenzenden und eine vorgesehene Messebene ausbildenden Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils angeordnet wird und anschließend auf diese aus dem Grundwerkstoff gebildete Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils ein Beschichtungswerkstoff unter Ausbildung der den Lichtwellenleiter oder ein den Lichtwellenleiter umgebendes Rohr an den Grundwerkstoff und/oder angrenzende Beschichtungsbereiche anbindende Beschichtung aufgetragen wird.
Bei einem Messbauteil der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lichtwellenleiter in, auf oder an einer den Grundwerkstoff des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils begrenzenden und eine vorgesehene Messebene ausbildenden Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils angeordnet und in dieser aus dem Grundwerkstoff gebildeten Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils mittels einer den Lichtwellenleiter oder ein den Lichtwellenleiter umgebendes Rohr an den Grundwerkstoff und/oder angrenzende Beschichtungsbereiche anbindenden Beschichtung festgelegt ist.
Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die Erfindung wird ein Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil so ausgestaltet und ausgestattet, dass in und/oder an ihm herrschende Temperaturen oder Spannungen mit Hilfe des derart in den Körper des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils eingebundenen oder an den Körper des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils angebundenen mindestens einen Lichtwellenleiters exakt gemessen und exakt lokal zugeordnet werden können. Dank der Erfindung kann ein in Form eines Lichtwellenleiters ausgebildeter oder einen Lichtwellenleiter umfassender Temperatursensor oder Spannungssensor oder Drucksensor dicht und eng anliegend unmittelbar und direkt in den Körper eines Konstruktionsbauteils oder eines anlagentechnischen oder maschinentechnischen oder verfahrenstechnischen Werkzeugs oder Anlagen- oder Maschinenbauteils eingebaut und eingebunden werden. Der ggf. von einem schützenden Rohr umgebene Lichtwellenleiter wird durch die Beschichtung homogen und ggf. fest umschlossen oder überdeckt und so auf oder in der vorgesehenen Messebene fixiert. Es ist nicht mehr notwendig, dass vorher ein einzelner, den Lichtwellenleiter aufweisender Sensor an sich hergestellt werden muss, der dann an dem Werkzeug oder Anlagenbauteil mit der damit einhergehenden und vorstehend beschriebenen Problematik befestigt werden muss. Der Lichtwellenleiter ist in der oder die Beschichtung eingebettet und somit vollkommen von der Beschichtung überdeckt und hierdurch vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen geschützt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich der Ort der mit dem Lichtwellenleiter vorzunehmenden Temperatur- oder Spannungsmessung nahe an der wärme- und temperaturinduzierten und/oder spannungsinduzierten Oberfläche des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils befindet und/oder dieses eine komplexe und/oder komplizierte Form aufweist und gleichzeitig eine enge, homogene Einbindung des Lichtwellenleiters gewünscht wird.
Das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil weist erfindungsgemäß mindestens einen eingebundenen Lichtwellenleiter auf, kann also auch mehrere umfassen. Von diesen mehreren Lichtwellenleitern kann ein Teil der Temperaturmessung und ein anderer Teil der Spannungsmessung dienen. Während ein der Spannungsmessung dienender Lichtwellenleiter ggf. Stoffschlüssig in die Beschichtung eingebunden oder an den Grundwerkstoff angebunden sein kann, sind der Temperaturmessung dienende Lichtwellenleiter spannungsfrei, also nicht stoffschlüssig in der Beschichtung eingebunden.
Für die Herstellung einer vorteilhaften Einbindung und Anbindung des Lichtwellenleiters ist es gemäß Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn zunächst der die Messebene aufweisende und aus dem Grundwerkstoff mit aufgebrachter Beschichtung bestehende Teil des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils hergestellt, anschließend die Beschichtung bis zur Messebene partiell entfernt, in diesem Bereich mindestens ein Lichtwellenleiter oder ein Lichtwellenleiter mit umgebendem Rohr angeordnet und abschließend die Beschichtung wieder aufgebaut wird.
Hierbei wird der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit von dem gewählten Beschichtungsverfahren direkt unmittelbar ohne umgebendes Rohr oder in das umgebende Rohr eingebunden auf die geschaffene Messebene aufgelegt und fixiert und dann die Beschichtung wieder aufgebaut.
Für die exakte Platzierung des Lichtwellenleiters in dem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil sieht die Erfindung weiterhin vor, dass in der Messebene in den Grundwerkstoff Nute gefräst oder Löcher gebohrt werden und der Lichtwellenleiter oder das den Lichtwellenleiter umgebende Rohr zumindest bereichsweise oder teilweise in eine jeweilige Nut oder ein jeweiliges Loch eingesetzt und die Beschichtung aufgetragen wird. Auf diese Weise ist der Lichtwellenleiter exakt fixierbar und positionierbar. Vorzugsweise werden Nute mit einem dem Durch messer von Lichtwellenleitern in der Größenordnung von etwa 100 bis 150 μm entsprechenden Durchmesser in die Messebene eingebracht, in welchen dann der Lichtwellenleiter ohne schützendes Rohr eingelegt und dann beschichtet wird. Es ist aber auch möglich, solche Nute für in einem Rohr angeordnete Lichtwellenleiter auszubilden.
Als Beschichtungsmaterial oder Beschichtungswerkstoff kann ein zum Grundwerkstoff gleiches oder ein zum Grundwerkstoff unterschiedliches Material aufgetragen werden, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Zum Auftragen der Beschichtung eignen sich bekannte Beschichtungsverfahren. Zweckmäßig ist es gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines galvanischen oder chemischen Beschichtungsverfahrens aufgetragen wird.
Zur Auftragung und zum Aufbau der Beschichtung eignen sich als thermische Spritzverfahren beispielsweise das Drahtflammspritzen, das Plasmaspritzen, das Pulverdampfspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder das Kaltgasspritzen. Da die thermischen Beschichtungsverfahren eine hohe kinetische Energie auf die zu beschichtende Oberfläche des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils und den Lichtwellenleiter ausüben, sollte sich der Lichtwellenleiter in diesem Falle in dem ihn umgebenden und schützenden Rohr aus Metall befinden, damit er beim Beschichtungsvorgang nicht beschädigt wird. Im Unterschied dazu handelt es sich beim galvanischen Beschichten um ein chemisches Reaktionsverfahren, das den jeweiligen Lichtwellenleiter aus Glasfaser nicht (be)schädigt.
Eine besonders günstige Schichtdicke wird gemäß Weiterbildung der Erfindung dann erhalten, wenn eine Beschichtung in einer Stärke von 200 μm–5 mm, insbesondere von 200–250 μm aufgetragen wird. Es ist auch möglich, dass eine Beschichtung in einer Stärke von größer 250 μm bis zu einigen Millimetern aufge tragen wird. In einer weiteren Alternative weist die Beschichtung eine Stärke von mindestens dem 1,5-fachen des Durchmessers des Lichtwellenleiters auf. Hierdurch ist der Lichtwellenleiter sicher und vollständig von der Beschichtung überdeckt, wobei auch ein gewisser Verschleiß der Beschichtung zulässig ist.
Um auch Anlagenbauteile der Schwerindustrie herstellen zu können sowie eine gute Temperaturleitfähigkeit zu erzielen, ist es gemäß weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung von Vorteil, dass der Grundwerkstoff und der Beschichtungswerkstoff ein Metall sind oder zumindest im wesentlichen aus einem Metall bestehen.
Besonders günstig ist die Erfindung in solchen Fällen anwendbar, wenn der Lichtwellenleiter in, auf oder an einem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil angeordnet wird, das Bestandteil eines ein heißes Fluid aufnehmenden und/oder umgebenden Bauteils ist.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung an Kokillen, Kokillenplatten oder Rohrkokillen anwenden, mit welchen Stahl vergossen wird. Die Erfindung zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass der Lichtwellenleiter in, auf oder an einem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil angeordnet wird, das Bestandteil einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille ist oder eine solche ausbildet.
Hierbei kann der Lichtwellenleiter sowohl auf der Heißseite als auch auf der Kühlkanäle aufweisenden Seite, der Kühlseite, einer Kokille angeordnet sein, so dass die Erfindung in Weiterbildung sowohl vorsieht, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter oder das mindestens eine den Lichtwellenleiter umgebende Rohr auf der Heißseite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille angeordnet wird, als auch, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter oder das mindestens eine den Lichtwellenleiter umgebende Rohr auf der der Heißseite abgewandten Seite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille in einem Kühlkanal angeordnet wird.
Hierbei kann ein Kühlkanal eine besondere Form oder Ausgestaltung einer Nut sein.
Das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil wird vorteilhafterweise nach einem der Ansprüche 1–12 hergestellt.
Hierbei ist es dann von Vorteil, wenn der Lichtwellenleiter oder das den Lichtwellenleiter umgebende Rohr in der Beschichtung eingebettet ist, wobei weiterhin der Lichtwellenleiter oder das den Lichtwellenleiter umgebende Rohr in einer im Grundwerkstoff ausgebildeten Nut eingelassen ist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Eine zweckmäßige Stärke der Beschichtung beträgt erfindungsgemäß 200–250 μm. Hierbei ist eine Beschichtung in einer Stärke von mindestens dem 1,5-fachen des Durchmessers eines Lichtwellenleiters vorteilhaft, da hierdurch der Lichtwellenleiter sicher und vollständig von der Beschichtung überdeckt sowie ein gewisser Verschleiß der Beschichtung zulässig ist.
Das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil kann gemäß Weiterbildung der Erfindung ein vorzugsweise integraler Bestandteil eines ein heißes Fluid aufnehmenden und/oder umgebenden Bauteils sein, wobei erfindungsgemäß dann weiterhin vorgesehen sein kann, dass das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil Bestandteil einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille ist oder eine solche ausbildet.
Schließlich sieht die Erfindung auch noch vor, dass der Lichtwellenleiter oder das den Lichtwellenleiter umgebende Rohr auf der Heißseite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille angeordnet ist und/oder der Lichtwellenleiter oder das den Lichtwellenleiter umgebende Rohr auf der der Heißseite abgewandten Seite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille in einem Kühlkanal angeordnet ist. Es ist also möglich mehr als einen Lichtwellenleiter an einem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil anzuordnen und beispielsweise sowohl die Heißseite als auch die Kühlkanäle aufweisende Seite einer Kokille mit mindestens einem Lichtwellenleiter zu versehen.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 in schematischer Darstellung auszugsweise einen Querschnitt eines Teil eines erfindungsgemäßen Temperaturmessbauteils mit drei Lichtwellenleitern,
2 in schematischer Darstellung auszugsweise einen Querschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Temperaturmessbauteils mit drei Lichtwellenleitern, wobei die Lichtwellenleiter in Nuten angeordnet sind, und in
3 in schematischer Darstellung einen Querschnitt einer einteiligen oder mehrteiligen Rohrkokille.
Aus der 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel ein Teil eines Körpers eines Temperaturmessbauteils 1 ersichtlich, das einen aus einem Grundwerkstoff 2 bestehenden Grundkörper 2a umfasst. Auf einer vorbestimmten und festgelegten sowie den Bereich des Grundwerkstoffs 2 begrenzenden oder abschließenden Oberfläche des Grundkörpers 2a, die eine Messebene darstellt, sind drei Lichtwellenleiter 3 angeordnet, wovon einer von einem Schutzrohr oder Rohr 4 umschlossen ist. Hierbei ist zu beachten, dass das Temperaturmessbauteil 1 in der Regel ausschließlich gleichartige Lichtwellenleiter 3 umfasst, das heißt, entweder solche mit oder solche ohne umgebendes Rohr 4. Die Lichtwellenleiter 3 liegen dicht auf dem Grundwerkstoff 2 des Grundkörper 2a auf und sind mittels einer aus einem Beschichtungswerkstoff 5a, vorzugsweise einem Metall, gebildeten Beschichtung 5 in ihrer Position fixiert und eng, dicht und homogen von der Beschichtung 5 umschlossen. Die Dicke oder Stärke der Beschichtung 5 entspricht in etwa 200–250 μm und damit ca. dem doppelten Durchmesser üblicher Lichtwellenleiter 3 von ca. 100 bis 150 μm, wobei das gegebenenfalls vorhandene Schutzrohr 4 hierbei unberücksichtigt bleibt. Die Schichtstärke oder -dicke kann aber auch wesentlich dicker bis hin zu mehreren Millimetern sein.
Der Grundkörper 2a ist hier aus einem geeigneten Metall in Abhängigkeit von der Verwendung gefertigt. Die Beschichtung 5 besteht aus einem Metall oder auch hochwarmfesten Metall, z. B. Nickel, und ist mittels thermischen Spritzens oder galvanisch oder chemisch aufgetragen. Bei den thermischen Spritzverfahren ist der Lichtwellenleiter 3 vorteilhaft von dem Schutzrohr 4 umgeben. Je nach Verwendung des Temperaturmessbauteils 1 weist die Beschichtung 5 eine hohe Härte und/oder Verschleißfestigkeit auf. Die Dicke oder Stärke der Beschichtung beträgt im Allgemeinen 200 bis 250 μm, kann aber auch deutlich größer ausgeführt sein.
Der Lichtwellenleiter 3 ist eine Glasfaser mit einem Durchmesser von ca. 100 bis 150 μm. Das Schutzrohr 4 ist aus einem geeigneten Metall gefertigt.
Zur Herstellung des Bauteils 1 wird zunächst der Grundkörper 2a gefertigt. Auf der vorbestimmten Oberfläche des Grundkörpers 2a werden die Lichtwellenleiter 3 mit oder ohne Schutzrohr 4 provisorisch so befestigt, dass eine Temperaturmessung an vorgegebenen Stellen erfolgen kann. Anschließend wird die vorbestimmte Oberfläche mit der Beschichtung 5 versehen, indem diese mittels z. B. Drahtflamm-, Plasma- oder Pulverdampfspritzen aufgespritzt oder galvanisch oder chemisch aufgetragen wird.
Das zweite Ausführungsbeispiel nach der 2 unterscheidet sich von dem vorigen durch in die Oberfläche des Grundkörpers 2a eingelassene Nute 6, so dass für ansonsten gleiche oder identische Teile oder Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden wie beim Ausführungsbeispiel nach der 1. Die Nuten 6 haben hier einen halbkreisförmigen Querschnitt, wobei ein Durchmesser des Halbkreises mindestens dem Durchmesser eines darin einzulegenden Lichtwellenleiters 3 beziehungsweise eines Schutzrohrs 4 entspricht, so dass der Lichtwellenleiter 3 oder das jeweilige Rohr 4 ohne oder allenfalls mit geringem Spiel in der zugehörigen Nut 6 geführt in der jeweils vorgesehenen Messebene anzuordnen ist.
Ein drittes, in der 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel, bei welchem gleich oder identische Teile oder Elemente ebenfalls wieder mit zu den 1 und 2 identischen Bezugszeichen versehen sind, betrifft eine einteilige oder mehrteilige Rohrkokille 7 mit rechteckigem Querschnitt. Der aus dem Grundwerkstoff 2 bestehende Grundkörper 2a der Rohrkokille 7 ist vorzugsweise aus Kupfer gefertigt und weist an seiner Außenseite, der sogenannten Kühlseite, verteilt Kühlkanäle 8 auf. Von den Kühlkanälen 8, die einen rechteckigen, gewünschtenfalls aber auch einen halbkreisförmigen, Querschnitt aufweisen, sind hier nur zwei exemplarisch dargestellt. In mindestens einem, hier in jedem, Kühlkanal 8 ist auf seiner Basis, das heißt der Innenseite, der sogenannten Heißseite, der Rohrkokille 7 benachbarten Seite des Kühlkanals 8, jeweils mindestens ein Lichtwellenleiter 3 angeordnet. Diese sind wie zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben mittels einer Beschichtung 5 befestigt und umschlossen. Alternativ und/oder zusätzlich sind an den innenseitigen inneren Wandungen des Grundkörpers 2a auf der Heißseite der Rohrkokille 7 ebenfalls von einer Beschichtung 5 überdeckte Lichtwellenleiter 3 angeordnet. Die Beschichtung 5 bedeckt hier insgesamt die inneren Wandungen und kann die bei Rohrkokillen übliche Dicke oder Stärke aufweisen. Bei der Kokille handelt es sich vorzugsweise um eine solche einer Stranggießanlage. Da Kokillenplatten oder Kokillenrohre oder Rohrkokillen 7 von Stranggießanlagen auf ihrer Heißseite häufig galvanisch mit Nickel beschichtet werden, besteht die Beschichtung 5 auf der Heißseite der Rohrkokille 7 im Ausführungsbeispiel auch aus Nickel und wird der Beschichtungswerkstoff 5a Nickel galvanisch auf den Grundwerkstoff 2, beispielsweise Stahl, aufgetragen.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den anderen Ausführungsbeispielen.
Für alle Ausführungsbeispiele sind die Lichtwellenleiter 3 an eine entsprechende Auswerteeinheit angeschlossen.
Auch wenn vorstehend ein Temperaturmessbauteil 1 mit einem erfindungsgemäß eingebetteten Lichtwellenleiter 3 beschrieben ist, so kann in analoger und vorzugsweise identischer Weise anstelle des Temperaturmessbauteils 1 auch ein nicht näher dargestelltes Spannungsmessbauteil mit einem Lichtwellenleiter zur Messung von mechanischen Spannungen versehen und somit als Spannungsmesssensor ausgebildet oder Bestandteil eines solchen sein.
Der jeweilige Lichtwellenleiter 3, insbesondere aber das jeweilige Rohr, ist von der jeweiligen Beschichtung 5 umschlossen. Dies kann auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung umfassen.
Der bei der Temperaturmessung mit einem Lichtwellenleiter ausgenuzte Effekt kann auf der Auswertung der Reflexionsspektren von Faser-Brigg-Gittern (FGB) beruhen, die mit Hilfe einer einmaligen UV-Behandlung in Glasfasern eingeschrieben werden. Bei den Faser-Brigg-Gittern handelt es sich um räumlich periodische Strukturen entlang einer insbesondere im Kern des Lichtwellenleiters angeordneten Faser, die durch einen alternierenden Brechungsindex gekennzeichnet ist. Ein Faser-Brigg-Gitter belegt ca. 5 mm des Faserstrangs. es können je nach Messaufgabe mehrere Faser-Brigg-Gitter an vorbestimmten Stellen in einen Glasfaserstrang eingeschrieben werden. Jedes Faser-Brigg-Gitter reflektiert aufgrund seiner spezifischen Periodizität eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Lichts Durch unterschiedliche Periodenlängen der Faser-Brigg-Gitter werden diese spektroskopisch unterscheidbar, so dass jedes einem Faser-Brigg-Gitter entsprechende Thermometer im Spektrum eindeutig zugeordnet werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des reflektierten Lichts ergibt sich aus der Temperaturabhängigkeit der effektiven optischen Periodizität. Diese wird durch den temperaturabhängigen Brechungsindex und die temperaturabhängige Lineardimension (Wärmeausdehnung) definiert. Ein Temperaturprofilsensor besteht dann aus einem Glasfaserstrang, der individuell für die jeweilige Applikation mit Faser-Brigg-Gittern präpariert wird. Die Glasfaser selbst wird durch eine Kapillare vor mechanischen und Stoffeinwirkungen geschützt. Ausgelesen wird das Thermometer von nur einer Seite der Glasfaser, so dass die Prozessanbindung über ein Lichtwellenleiterkabel mit minimalem Aufwand erfolgen kann.
Andererseits ist es bekannt, dass Temperatur, Druck oder Spannungskraft lokal die Lichttransmissionseigenschaft einer Glasfaser ändern kann und der hierbei auftretende, so genannte Raman-Effekt zu Messzwecken ausgenutzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5996219 A [0007]
- US 6944360 B2 [0008]
- WO 2004/015349 A2 [0009]

Claims

Verfahren zur Einbindung eines Lichtwellenleiters (3) eines Temperatur- und/oder Spannungsmesssensors in ein aus einem Grundwerkstoff (2) mit darauf aufgebrachter Beschichtung (5) bestehendes Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1), wobei der Lichtwellenleiter (3) in einer vorgesehenen Messebene angeordnet und anschließend eine bedeckende Beschichtung (5) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in, auf oder an einer den Grundwerkstoff (2) des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) begrenzenden und eine vorgesehene Messebene ausbildenden Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) angeordnet wird und anschließend auf diese aus dem Grundwerkstoff (2) gebildete Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) ein Beschichtungswerkstoff (5a) unter Ausbildung der den Lichtwellenleiter (3) oder ein den Lichtwellenleiter (3) umgebendes Rohr (4) an den Grundwerkstoff (2) und/oder angrenzende Beschichtungsbereiche anbindende Beschichtung (5) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der die Messebene aufweisende und aus dem Grundwerkstoff (2) mit aufgebrachter Beschichtung (5) bestehende Teil des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) hergestellt, anschließend die Beschichtung (5) bis zur Messebene partiell entfernt, in diesem Bereich mindestens ein Lichtwellenleiter (3) oder ein Lichtwellenleiter (3) mit umgebendem Rohr (4) angeordnet und abschließend die Beschichtung (5) wieder aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messebene in den Grundwerkstoff (2) Nute (6) gefräst oder Löcher gebohrt werden und der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) zumindest bereichsweise oder teilweise in eine jeweilige Nut (6) oder ein jeweiliges Loch eingesetzt und die Beschichtung (5) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungswerkstoff (5a) ein zum Grundwerkstoff (2) gleiches oder ein zum Grundwerkstoff (2) unterschiedliches Material aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines galvanischen oder chemischen Beschichtungsverfahrens aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (5) in einer Stärke von 200 μm–5 mm, insbesondere von 200–250 μm, aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (5) in einer Stärke von größer 250 μm bis zu einigen Millimetern aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (2) und der Beschichtungswerkstoff (5a) ein Metall sind oder zumindest im wesentlichen aus einem Metall bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in, auf oder an einem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1) angeordnet wird, das Bestandteil eines ein heißes Fluid aufnehmenden und/oder umgebenden Bauteils ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in, auf oder an einem Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1) angeordnet wird, das Bestandteil einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) ist oder eine solche ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) auf der Heißseite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) auf der der Heißseite abgewandten Seite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) in einem Kühlkanal (8) angeordnet wird.
Messbauteil mit einem eingebundenen Lichtwellenleiter (3) eines Temperatur- und/oder Spannungsmesssensors, das aus einem Grundwerkstoff (2) mit darauf aufgebrachter Beschichtung (5) aufgebaut ist, wobei der Lichtwellenleiter (3) in einer vorgesehenen Messebene angeordnet und von einer Beschichtung (5) überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in, auf oder an einer den Grundwerkstoff (2) des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) begrenzenden und eine vorgesehene Messebene ausbildenden Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) angeordnet und in dieser aus dem Grundwerkstoff (2) gebildeten Ebene des Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteils (1) mittels einer den Lichtwellenleiter (3) oder ein den Lichtwellenleiter (3) umgebendes Rohr (4) an den Grundwerkstoff (2) und/oder angrenzende Beschichtungsbereiche anbindenden Beschichtung (5) festgelegt ist.
Messbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Ansprüche 1–12 hergestellt ist.
Messbauteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) in der Beschichtung (5) eingebettet ist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) in einer im Grundwerkstoff (2) ausgebildeten Nut (6) eingelassen ist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) eine Stärke von 200 μm–5 mm, insbesondere von 200–250 μm, aufweist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) eine Stärke von größer 250 μm bis zu einigen Millimetern aufweist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–18, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1) ein vorzugsweise integraler Bestandteil eines ein heißes Fluid aufnehmenden und/oder umgebenden Bauteils ist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–19, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatur- und/oder Spannungsmessbauteil (1) Bestandteil ei ner Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) ist oder eine solche ausbildet.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–20, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) auf der Heißseite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) angeordnet ist.
Messbauteil nach einem der Ansprüche 13–21, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) oder das den Lichtwellenleiter (3) umgebende Rohr (4) auf der der Heißseite abgewandten Seite einer Kokille, Kokillenplatte oder Rohrkokille (7) in einem Kühlkanal (8) angeordnet ist.