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Hintergrund
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Die
Erfindung betrifft allgemein mit Sensoren arbeitende Messtechnologien
und insbesondere Faser-Bragg-Gitter-Messsysteme.
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Zum
Messen von Fluid- oder Gasströmungsparametern,
wie Strömungsgeschwindigkeit,
Druck, Temperatur, Massenstrom und dergleichen sind verschiedene
Messvorrichtungen bekannt. Für
Strömungsmessungen
durch nur schwer zugängliche Durchlässe, wie
etwa Kühlströmungen oder
Leckageströmungen
durch Dichtungen, sind jedoch gebräuchliche Messvorrichtungen
verhältnismäßig kompliziert
zu implementieren.
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Es
besteht ein Wunsch nach einer verbesserten Messvorrichtung mit verhältnismäßig kleiner Größe.
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Kurze Beschreibung
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Gemäß einer
hier beschriebenen Ausführungsform
weist ein Faser-Bragg-Gitter-Messsystem ein einseitig eingespanntes
Trägerelement
auf, das über
einen fixierten Endabschnitt verfügt, der Folgendes trägt: Wenigstens
zwei durch eine Fluidströmung ablenkbare
freie Arme, wenigstens zwei optische Fasern, von denen jede in einen
entsprechenden freien Arm des Trägerelements
befestigt ist, wobei in jede der optischen Fasern ein Bragg-Gitter
eingezeichnet ist, wenigstens eine Lichtquelle zur Übertragung
von Licht auf die optischen Fasern und wenigstens ein Detektormodul
zum Erfassen von Licht, das durch die Bragg-Gitter der optischen
Fasern gefiltert ist und zum Überwachen
von Veränderungen
der Wellenlänge
des erfassten Lichtes. Die wenigstens zwei freien Arme erstrecken
sich von einem vorderen Umfang des fixierten Endes aus und kragen über den
fixierten Endabschnitt nach vorne vor.
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Gemäß einer
anderen hier beschriebenen Ausführungsform
weist ein Faser-Bragg-Gitter-Messsystem ein einseitig eingespanntes
Trägerelement auf,
das über
einen fixierten Endabschnitt verfügt, der einen durch eine Fluidströmung ablenkbaren
freien Arm und wenigstens zwei optische Fasern trägt. Das einseitig
eingespannte Trägerelement
weist einen fixierten Endabschnitt auf, der einen durch eine Fluidströmung ablenkbaren
freien Arm trägt,
wobei der freie Arm einen mittigen Schlitz begrenzt. Die wenigstens
zwei optischen Fasern sind in dem mittigen Schlitz des freien Armes
aufgenommen und in dem mittigen Schlitz durch Füllmaterial rings um die optischen
Fasern festgelegt. In jede der optischen Fasern ist ein Bragg-Gitter
eingeschrieben. Das Faser-Bragg-Gitter-Messsystem weist außerdem wenigstens
eine Lichtquelle zur Übertragung
von Licht zu den optischen Fasern und wenigstens ein Detektormodul
zum Erfassen von durch die Bragg-Gitter gefiltertem Licht der optischen
Fasern sowie zum Überwachen
von Veränderungen
der Wellenlänge des
erfassten Lichtes auf.
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Zeichnung
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Das
Verständnis
dieser und anderer Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
wird durch die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit der
beigefügten Zeichnung erleichtert,
in der in der ganzen Zeichnung gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
bezeichnen, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Messsystems zum Messen der
Strömungsrichtung
und der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluidstroms gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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2 eine
teilweise Querschnittsdarstellung des FBG-Messsystems nach 1 ist.
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3 eine
Querschnittsdarstellung, längs der
Linie 3-3 des FBG-Messsystems nach 1 ist.
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4 eine
Querschnittsdarstellung eines FBG-Messsystems zur Messung der Strömungsrichtung
und der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluidstroms gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist.
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5 eine
teilweise Querschnittsdarstellung des FBG-Messsystems nach 4 ist.
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6 eine
Querschnittsdarstellung des FBG-Messsystems zum Messen der Strömungsrichtung
und der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluidstroms gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist.
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7 eine
Querschnittsdarstellung eines FBG-Messsystems zum Messen der Strömungsrichtung
und Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluidstroms gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform der
Erfindung ist.
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8 eine
Querschnittsdarstellung längs der
Linie 8-8 des FBG-Messsystems der 7 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich auf Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Messsysteme zum Messen
einer Fluidströmung.
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Die 1 bis 3 beschreiben
ein FBG-Messsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung. Das FBG-Messsystem weist ein Trägerelement 12 auf,
das über
einen fixierten Endabschnitt 14 und wenigstens zwei optische
Fasern verfügt,
die sich von dem fixierten Endabschnitt 14 aus in einen
Fluidströmungsweg
erstrecken. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform
weist das FBG-Messsystem 10 drei freie Arme 16, 18, 20 und drei
optische Fasern 22, 24, 26 (3 auf),
von denen jede an einem entsprechenden freien Arm 16, 18, 20 derart
befestigt ist, dass einseitig eingespannte Balken 28, 30, 32 ausgebildet
sind. In jede der Fasern 22, 24, 26 ist
ein Bragg-Gitter 34 (2) eingeschrieben.
Bei einer Ausführungsform
sind Bragg-Gitter 34 näher
an dem fixierten Endabschnitt 14 als bei dem freien Ende
jedes der freien Arme 16, 18, 20 angeordnet.
Der dem fixierten Endabschnitt zunächst liegende Bereich ist der,
in dem Beanspruchungen oder Spannungen, die durch eine Abbiegung
der einseitig eingespannten Balken hervorgerufen werden, am größten ist.
Das FBG-Messsystem 10 weist außerdem wenigstens eine Lichtquelle 36 zum Übertragen
von Licht durch die optischen Fasern 22, 24, 26 zu
den Bragg-Gittern 34 und ein Detektormodul 38 zum
Empfang von von den Bragg-Gittern 34 reflektiertem Licht
auf.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind die freien Arme 16, 18, 20 jeweils
an einem vorderen Umfang des fixierten Endabschnitts 14 befestigt.
Bei einer Ausführungsform
begrenzt der fixierte Endabschnitt 14 beispielsweise drei
Schlitze 40 (2) in einer Außenfläche, um
drei freie Arme 16, 18, 20 festzuhalten. 2 ist
zur besseren Veranschaulichung des einseitig eingespannten Balkens 30 eine teilweise
Querschnittsansicht des FBG-Messsystems 10. Die einseitig
eingespannten Balken 28, 32 haben den gleichen
Aufbau wie der einseitig eingespannte Balken 30 und sind
aus der 3 zur Erleichterung der Veranschaulichung
des Balkens 30 weggelassen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist
der freie Arm 18 eine längliche
ebene Platte, die ein erstes und ein zweites ebenes Blatt 42 bzw. 44 und
eine Faser 24 aufweist, die zwischen dem ersten und dem
zweiten ebenen Blatt 42, 44 angeordnet ist. Bei
bestimmten Ausführungsformen
sind die freien Enden 45 des ersten und des zweiten ebenen
Blattes 42, 44 zum Beispiel durch Klebstoff oder
durch eine zusätzliche
Abdeckung 43 (2) miteinander verbunden. Demgemäß ist zwischen
dem ersten und dem zweiten ebenen Blatt 22, 44 ein
Längsspalt 41 zur
Aufnahme der Faser 24 begrenzt.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
ist der freie Arm 18 in dem entsprechenden Schlitz 40 beispielsweise
durch Epoxydharz oder einen anderen organischen/anorganischen Klebstoff
fixiert und er ragt vorne über
den fixierten Endabschnitt 14 hinaus in den Strömungsweg
hinein. Bei anderen Ausführungsformen
können
die freien Arme 16, 18, 20 in den entsprechenden
Schlitzen 40 in der Weise festgelegt sein, dass eine (nicht
dargestellte) äußere Hülse um eine
Außenoberfläche des
fixierten Endabschnitts 14 herumgelegt wurde nachdem die
freien Arme 16, 18, 20 in den Schlitzen 40 montiert
wurden. Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
die freien Arme 16, 18, 20 integrale
Teile des fixierten Endabschnitts 14 (nicht dargestellt) aufweisen.
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Bezug
nehmend auf 3 ist bei der dargestellten
beispielhaften Ausführungsform
jeder der einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 eine
längliche
ebene Platte, wobei die einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 nicht
parallel sind. Eine Fluidströmung
erzeugt eine Schleppkraft an jedem der einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 und
die eingespannten Balken 28, 30, 32 biegen
sich demgemäß in einer
strömungsabwärtigen Richtung
ab und weisen so eine Auswanderung (σ) an ihrem freien Ende auf.
Die Schleppkraft F auf jedem der einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 kann
nach der folgenden Schleppkraftgleichung berechnet werden: F = 1 / 2
ρ·Cd·V2A
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Darin
ist ρ die
Strömungsdichte
des Fluids, CD ist ein Widerstandsbeiwert, V ist die Strömungsgeschwindigkeit
und Af ist die Stirnfläche. Demgemäß ist die Schleppkraft (F)
eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit
(V). Außerdem
ist nach der Theorie des einseitig eingespannten Balkens die Auswanderung
(σ) des
freien Endes jedes der eingespannten Balken eine Funktion der auf
dem Balken verteilten Schleppkraft (V).
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Die
Abbiegung der einseitig eingespannten Balken verursacht eine Deformation
der Bragg-Gitter 34 in den Fasern 22, 24, 26 und
ruft damit Wellenlängenverschiebungen
des von dem Bragg-Gittern 34 reflektierten
Lichtes hervor. Unter einer im Wesentlichen konstanten Temperatur
ist jede der Wellenlängenverschiebungen
eine Angabe über
Beanspruchung oder eine Spannung bei dem entsprechenden Bragg-Gitter 34 und
damit eine Angabe über
die Auswanderung (σ)
des freien Endes des einseitig eingespannten Balken. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Fluidströmung
kann mit der Wellenlängenverschiebung
des von jedem Bragg-Gitter 34 reflektierten Lichts korreliert
werden. Durch eine vorherige experimentelle Kalibrierung der Strömungsgeschwindigkeit und
der Strömungsrichtung
mit Wellenlängen
des von den Bragg-Gittern in der ersten, der zweiten und der dritten
Faser reflektierten Lichts, können
die Strömungsgeschwindigkeit
und die Strömungsrichtung festgestellt
werden, indem die von den Bragg-Gittern 34 reflektierten
Wellenlängen überwacht
werden. Bei einer Ausführungsform,
bei der die freien Arme jeweils ebene Platten aufweisen, sind die
Winkel zwischen den freien Armen bezüglich einer allgemeinen Strömungsrichtung
der Fluidströmung
voneinander verschieden. Bei der dargestellten Ausführungsform nach 3 ist
die allgemeine Strömungsrichtung
D rechtwinklig zu dem einseitig eingespannten Balken 28,
so dass die Schleppkraft (F) auf den einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 in
dieser Reihenfolge abnimmt. Die Verformungen der Bragg-Gitter 34 in den
einseitig eingespannten Balken 28, 30, 32 nehmen
demgemäß in entsprechender
Weise der Reihe nach ab.
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Bei
einer Ausführungsform
weist das FBG-Messsystem 10 außerdem eine Steuereinrichtung 46 (1)
zum Empfang von Signalen von einem Detektormodul 38 (1)
und zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
und der Strömungsrichtung
auf. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die Steuereinrichtung in einem Detektormodul 38 eingebettet,
derart, dass das Detektormodul 38 die Bestimmungsfunktion übernimmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform
können
die Geschwindigkeit und deren Richtung mittels eines bei der Kalibrierung
des FBG-Messsystems 10 entwickelten
Algorithmus bestimmt werden, der auf einem Computer oder einem ähnlichen
Datenakquisitionssystem implementiert sein kann.
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Die 4, 5 veranschaulichen
ein FBG-Messsystem 48 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das FBG-Messsystem 48 weist
ein Trägerelement 47 mit einem
fixierten Endabschnitt 49 und wenigstens zwei freie Arme
auf, die vom Umfang eines Kopfendes des fixierten Endabschnitts 49 vorragen.
Bei der dargestellten Ausführungsform
weist das Trägerelement 47 drei
freie Arme 50, 51, 52 auf, die von dem
fixierten Endabschnitt 49 aus vorragen. Das FBG-Messsystem 48 weist
jeweils zwei optische Fasern 53, 54 (5)
auf, die unter Ausbildung von drei einseitig eingespannten Balken 55, 56, 57 in
jedem der freien Arme 50, 51, 52 befestigt
sind.
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5 ist
eine teilweise Querschnittsansicht des FBG-Messsystems 48, die zur besseren
Veranschaulichung des einseitig eingespannten Balkens 56 dient.
Die einseitig eingespannten Balken 55, 57 haben
jeweils einen gleichen Aufbau und sind in der 5 weggelassen.
Wie dargestellt, sind die beiden optischen Fasern 53, 54 in
dem einseitig eingespannten Balken 56 jeweils mit einem
eingeschriebenen Bragg-Gitter 60 bzw. 62 versehen.
Bei einer Ausführungsform
kann der einseitig eingespannte Balken außerdem einen dünnen Film 64 aufweisen,
wobei die beiden optischen Fasern 50, 52 auf gegenüber liegenden
Seiten des dünnen
Films 64 angeordnet und außerdem zwischen einem Paar
ebener Blätter 42, 44 geschützt sind.
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Wellenlängenverschiebungen
des von den Bragg-Gittern 60, 62 reflektierten
Lichts sind Funktionen der Spannung und der Temperatur. Da die Bragg-Gitter 60, 62 in
dem gemeinsamen einseitig eingespannten Balken nahe beieinander
und auf der gleichen Temperatur liegen, sind Temperatureffekte bei
den von den beiden Bragg-Gittern 60, 62 reflektierten
Wellenlängen
im wesentlichen gleich. Bezug nehmend auf die 4, 5 ist
bei einer Ausführungsform
das FBG-Messsystem 48 so angeordnet, dass während der
Messung die Schleppkraft der Fluidströmung in den beiden Bragg-Gittern 60, 62 jedes der
einseitig eingespannten Balken 55, 56, 57 eine Zugspannung
bzw. eine Druckspannung hervorruft. Eine Zugspannung in dem Bragg-Gitter 60 erzeugt eine
Zunahme der von ihm reflektierten Wellenlänge während eine Druckspannung in
dem Bragg-Gitter 62 eine Abnahme der von ihm reflektierten
Wellenlänge
hervorruft. Demgemäß ist eine
Differenz der Wellenlängenverschiebungen
zwischen den von den beiden Bragg-Gittern 60, 62 reflektierten
Wellenlängenverschiebungen
eine Angabe der Beanspruchung, wobei Temperatureffekte entfernt
oder verringert sind. Außerdem
können
durch eine vorherige Kalibrierung der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung
mit den Wellenlängenverschiebungsdifferenzen
des von den beiden Bragg-Gittern 60, 62 in jeweils
dem ersten, zweiten und dritten eingespannten Balken 55 bzw. 56 bzw. 57 reflektierten Lichts,
Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsrichtung
dadurch erhalten werden, dass die von den Bragg-Gittern 60, 62 reflektierten
Wellenlängenverschiebungsdifferenzen
beobachtet werden.
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Bezug
nehmend auf 6 weist ein FBG-Messsystem 91 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ein Trägerelement 92 mit
einem fixierten Endabschnitt 49 und wenigstens zwei freien
Armen auf, die sich von einem vorderen endseitigen Umfang des fixierten
Endabschnitts 49 aus erstrecken. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform
weist das Trägerelement 92 drei
freie Arme 93, 94, 95 auf, die von dem
fixierten Endabschnitt 49 aus vorragen. Das FBG-Messsystem 91 verfügt über jeweils
zwei optische Fasern 53, 54, die in jedem der freien
Arme 93, 94, 95 unter Ausbildung von
drei einseitig eingespannten Balken 97, 98, 99 befestigt
sind. Bei der dargestellten Ausführungsform
weist jeder der drei Arme eine ebene Platte auf und begrenzt zwei
Nuten 96 in einander gegenüberliegenden ebenen Flächen derselben.
Die beiden optischen Fasern 53, 54 sind jeweils
in den beiden Nuten 96 aufgenommen und können in
den Nuten 96 durch Epoxydharz oder andre Klebstoffmaterialien
weiter festgelegt sein. Demgemäß können, unter
Bezugnahme auf die vorherige Beschreibung der 4, 5,
durch experimentelle vorherige Kalibrierung der Strömungsgeschwindigkeit
und der Strömungsrichtung
mit den Wellenlängenverschiebungsdifferenzen
des von den beiden Bragg-Gittern in jedem des ersten, des zweiten
und des dritten einseitig eingespannten Balken, 97, 98, 99 reflektierten
Lichts die Strömungsgeschwindigkeit
und die Strömungsrichtung
durch Erfassung der von den Bragg-Gittern reflektierten Wellenlängenverschiebungsdifferenzen
bestimmt werden. Bei der in 6 veranschaulichten
Ausführungsform
weist jeder der drei freien Arme eine einstöckige planare Platte auf. Bei
anderen Ausführungsformen
kann jeder der freien Arme zwei ebene Blätter aufweisen, die aneinander
befestigt sind. Jedes der beiden ebenen Blätter fixiert an einer Außenfläche eine
optische Faser.
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Bezug
nehmend auf die 7, 8 weist ein
FBG-Messsystem 66 gemäß einer
noch anderen Ausführungsform
der Erfindung ein im Wesentlichen längliches einseitig eingespanntes
Trägerelement 68 auf,
das über
einen fixierten Endabschnitt 70 und einen von dem fixierten
Endabschnitt 70 vorragenden Arm 72 sowie optische
Fasern 74, 76, 78, 80 verfügt, die
in dem freien Arm 72 des Trägerelementes 68 befestigt
und im Wesentlichen parallel zu dem länglichen Trägerelement 68 sind.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist das Trägerelement 68 eine
längliche
Hülse,
die eine mittige Aussparung 69 zur Aufnahme optischer Fasern 74, 76, 78, 80 begrenzt.
Bei einer Ausführungsform
ist der fixierte Endabschnitt 70 des Trägerelementes 68 in
einem feststehendem Teil, beispielsweise einer Seitenwand eines
Rohres oder einem speziellen ortsfesten Träger in einem Strömungsweg
befestigt. Demgemäß bilden
das Trägerelement 68 und
die darin befestigten optischen Fasern 74, 76, 78, 80 einen
einseitig eingespannten Balken 82. Der eingespannte Balken 82 ragt
in den Strömungsweg
und zwar im Wesentlichen rechtwinklig zu der allgemeinen Strömungsrichtung
D. Bei bestimmten Ausführungsformen
bietet das Trägerelement 68 eine
im Wesentlichen kreisrunde oder eine elliptische Querschnittsansicht.
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In
jede, der optischen Fasern 74, 76, 78, 80 ist
ein Bragg-Gitter 84 eingeschrieben,
wobei die Bragg-Gitter 84 auf den Fasern 74, 76, 78, 80 durch irgendein
an sich bekanntes Verfahren ausgebildet sein können. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
beinhaltet diese Herstellung die Verwendung eines Interferenzmusters
von ultraviolettem Licht zur Erzeugung einer dauernden Modulation
des Brechungsindex. Die Fluidströmung übt eine
Schleppkraft auf den einseitig eingespannten Balken 82 aus und
bewirkt eine Abbiegung des einseitig eingespannten Balken 82 und
demzufolge erzeugt sie Veränderungen
der Wellenlängen
des von dem Bragg-Gitter 84 reflektierten. Lichts, was
eine Angabe über
die Strömungsgeschwindigkeit
und die Strömungsrichtung
beinhaltet.
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Das
Trägerelement 68 kann
irgendein für den
beabsichtigten Betriebseinsatz geeignetes strukturelles Material
aufweisen zu dem mehrere Beispiele, einschließlich rostfreier Stahl, Kunststoff
und Aluminiumverbundstoffe zählen.
Die Fasern 74, 76, 78, 80 können in
die mittige Aussparung 69 durch ein offenes Ende 86 des
freien Armes 72 eingefügt
oder nur vorab an dem fixierten Endabschnitt 70 vor der Befestigung
des freien Arms angebracht sein. Bei einer Ausführungsform sind die Fasern 74,76, 78 in
der mittigen Aussparung 69 außerdem durch ein die optischen
Fasern in der mittigen Aussparung 69 abstützendes
Füllmaterial 88 gehalten.
Das Füllmaterial kann
ein Epoxydharz oder Klebstoff in der mittigen Aussparung 69 und
rings um die optischen Fasern 74, 76, 78, 80 sein.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann eine Glasverlötung
dazu verwendet werden, die Enden der optischen Fasern an dem offenen Ende 86 zu
befestigen. Bei der in 8 veranschaulichten Ausführungsform
weist das Trägerelement 68 außerdem eine
Kappe 90 auf, die so angeordnet ist, dass sie da offene
Ende 86 nach der Befestigung der optischen Faser 74, 76, 78, 80 in
der mittigen Aussparung 69 abdeckt. Bei bestimmten Ausführungsformen
weisen das Trägerelement 68 und
die Kappe 90 ein Polyimid, Edelstahl oder einen Kohlefasergewebeverbundstoff
auf.
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Wie
in 8 dargestellt, kann das FBG-Messsystem 66 außerdem wenigstens
eine Lichtquelle 36 zur Übertragung von Licht über die
optischen Fasern 74, 76, 78, 80 zu
den Bragg-Gittern 84 und ein Detektormodul 38 aufweisen,
das zum Empfang von von den Bragg-Gittern 84 reflektiertem Licht
dient. Die Lichtquelle 36 kann beispielsweise einen abstimmbaren
Laser, eine LED, eine Laserdiode oder irgendeine andere quasi monochromatische Quelle
aufweisen. Das Detektormodul 38 empfängt die von den Bragg-Gittern 84 reflektierten
optischen Signale und analysiert in Zusammenarbeit mit verschiedenen
Hardwareund Softwarekomponenten die in den optischen Signalen eingebettete
Information.
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Das
FBG-Messsystem 66 ist so angeordnet, dass der einseitig
eingespannte Balken 82 in den Strömungsweg ragt und im Wesentlichen
rechtwinklig zu der allgemeinen Strömungsrichtung D ist. Die erste,
die zweite, die dritte und die vierte optische Faser 74, 76, 78, 80 sind
jeweils derart angeordnet, dass jedes Bragg-Gitter 84 sich
im Wesentlichen in der Längsrichtung
des einseitig eingespannten Balkens 82 erstreckt. Der eingespannte
Balken 82 biegt sich wegen der Fluidströmung, wie mit dem Umriss 85 dargestellt
in der strömungsabwärtigen Richtung. Wie
im Vorstehenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben,
sind die Wellenlängenverschiebungen
des von jedem Bragg-Gitter reflektierten Lichts eine Angabe über Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsrichtung.
Durch experimentelle vorherige Kalibrierung der Strömungsgeschwindigkeit
und der Strömungsrichtung
mit den Wellenlängen
von von den Bragg-Gittern in der jeweils ersten, zweiten, dritten
und vierten optischen Faser 74, 76, 78, 80 reflektiertem
Licht können
die Strömungsgeschwindigkeit
und die Strömungsrichtung
durch Auswertung der von den Bragg-Gittern 84 reflektierten Wellenlängen erhalten
werden.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
ist das FBG-Messsystem 66 so angeordnet, dass die Abbiegung
des einseitig eingespannten Balkens 82 eine Zugspannung
auf wenigstens einem der Bragg-Gitter 84 und
eine Druckspannung auf wenigstens einem anderen der Bragg-Gitter 84 erzeugt.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ruft das Abbiegen des einseitig eingespannten Balkens 82 eine
Zugspannung auf den in die jeweils erste und zweite optische Faser 74 bzw. 76 eingeschriebenen
Bragg-Gittern 84 und eine
Druckspannung auf den jeweils in eine dritte und vierte optische
Faser 78 bzw. 80 eingeschriebenen Bragg-Gittern 84 hervor.
Die Zugspannung auf den Bragg-Gittern 84 in
der jeweils ersten und zweiten Faser 74, 76 bewirkt
eine Vergrößerung der
Wellenlängen
des von den Bragg-Gittern 84 reflektierten Lichts
während
die Druckspannung auf den Bragg-Gittern 84 in der jeweils
dritten und vierten Faser 78, 80 eine Verkürzung der
Wellenlängen
des von den komprimierten Bragg-Gittern 84 hervorruft. Durch
vorherige experimentelle Kalibrierung und beispielsweise Aufstellung
einer Nachschlagtabelle kann die Strömungsgeschwindigkeit durch
Erfassung der Wellenlängenveränderung
bei jedem Bragg-Gitter 84 ermittelt werden.
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Nochmals
auf 8 Bezug nehmend, wenn sich die Strömungsrichtung ändert, verändert sich auch
die auf den einseitig eingespannten Balken ausgeübte Schleppkraft und es wird
außerdem
eine Wellenlängenverschiebung
in jedem der Bragg Gitter 84 in den Fasern 74, 76, 78, 80 hervorgerufen.
Wenn beispielsweise die Fluidströmung
ihre Richtung von D in die Richtung D1 mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit
verändert
nimmt die auf den einseitig eingespannten Balken 82 ausgeübte Schleppkraft (F)
ab, während
außerdem
Wellenlängenverschiebungen
in den Bragg-Gittern 84 in den Fasern 74, 76, 78, 80 hervorgerufen
werden. Durch vorherige Kalibration und beispielsweise Aufstellung
einer Nachschlagtabelle können
sodann die Strömungsrichtung und
die Strömungsgeschwindigkeit
ermittelt werden.
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Wie
oben erläutert,
können
Bragg-Gitter anschließend
an den fixierten Endabschnitt des Trägerelements angeordnet sein,
wo von einer Abbiegung des einseitig eingespannten Balkens erzeugte
Spannungen oder Beanspruchungen am größten sind. FBG-Sensoren sind deshalb
zweckdienlich weil sie größenmäßig verhältnismäßig klein
und auf Spannungen empfindlich sind. Außerdem ist die Ansprechzeit
von FBG-Sensoren unabhängig
von der Länge
der Faser, was im Gegensatz zu anderen Messwandlern steht, bei denen
die Ansprechzeit länger
wird, wenn der Messwandler ein längeres
Rohr aufweist. Demgemäß kann das
FBG-Messsystem in Strömungsbereichen
verwendet werden, die einen schwierigen Zugang aufweisen, wie etwa
Kühlströme oder
Leckageströmung
durch Dichtungen in einer Gasturbinenmaschine.
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Falls
nicht anders definiert, haben hier verwendete technische und wissenschaftliche
Ausdrücke
die gleiche Bedeutung wie sie ein für die Erfindung einschlägiger Fachmann
versteht. Die Ausdrücke „erster”, „zweiter” und dergleichen,
wie sie hier verwendet sind, bezeichnen nicht irgendeine Reihen' folge, Menge oder
Wichtigkeit, sondern sie werden nur dazu benutzt, ein Element von
einem anderen zu unterscheiden. Außerdem bezeichnen die Ausdrücke „ein” und „einer(es)” keine
Begrenzung einer Menge, sondern nur das Vorhandensein von wenigstens
einem der in Bezug genommenen Begriffe, während Ausdrücke wie „vorne”, „hinten”, „unten” und/oder „oben”; falls nicht anders vermerkt,
lediglich zur zweckentsprechenden Beschreibung verwendet und nicht
auf irgendeine Stellung oder räumliche
Orientierung beschränkt
sind.
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Wenngleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben wurde, so versteht sich für den Fachmann doch, dass verschiedene
Veränderungen
vorgenommen und Elemente durch Äquivalente
ersetzt werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Abwandlungen vorgenommen
werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material
an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne damit deren wesentlichen
Rahmen zu verlassen. Demgemäß soll die
Erfindung nicht durch die als für
die Ausführung
der Erfindung beste Art geltende spezielle Ausführungsform beschränkt sein, sondern
die Erfindung umfasst alle Ausführungsformen,
die im Schutzbereich der beigefügten
Patentansprüche
liegen.
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Es
versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle im Vorstehenden
beschriebenen Aufgaben und Vorteile mit irgendeiner speziellen Ausführungsform
erreicht werden müssen.
So versteht es sich zum Beispiel für den Fachmann, dass die hier
beschriebenen Systeme und Techniken so verwirklicht oder ausgeführt werden
können,
dass ein Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen nach der hier ermittelten Lehre
optimiert werden können,
ohne dass notwendigerweise andere Aufgaben oder Vorteile, wie sie
hier gelehrt oder vorgeschlagen sind, erreicht werden.
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Außerdem liegt
für den
Fachmann die Austauschbarkeit verschiedener Merkmale aus verschiedenen
Ausführungsformen
auf der Hand. Die verschiedenen beschriebenen Merkmale, wie auch
andere bekannte Äquivalente
für jedes
dieser Merkmale, können
von einem Fachmann miteinander vermischt oder zusammengefügt, werden,
um weitere Systeme und Techniken gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Offenbarung zu konstruieren.
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Ein
Faser-Bragg-Gitter-Messsystem 10, 48, 91 weist
auf: Ein einseitig eingespanntes Trägerelement 12, 47, 92,
das über
einen fixierten Endabschnitt 49 verfügt, an dem wenigstens zwei
freie Arme 16, 18, 20, 50, 51, 52, 93, 94, 95 befestigt
sind, die durch eine Fluidströmung
abbiegbar sind, wenigstens zwei optische Fasern 22, 24, 26, 53, 54,
von denen jede in einem entsprechenden freien Arm des Trägerelementes
gehaltert ist und in jede der optischen Fasern ein Bragg-Gitter
eingeschrieben ist, wenigstens eine Lichtquelle 36 zur Übertragung
von Licht auf die optischen Fasern und wenigstens ein Detektormodul 38 zum
Erfassen von von den Bragg–Gittern
der optischen Fasern gefiltertem Licht und zum Überwachen von Wellenlängenveränderungen
des erfassten Lichtes. Die wenigstens zwei freien Arme erstrecken
sich von einem vorderen Rand des fixierten Endes aus und ragen über den
fixierten Endabschnitt nach vorne vor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Faser-Bragg-Filter-Messsystem
- 12
- Trägerelement
- 14
- fixierter
Endabschnitt
- 16,
18, 20
- freie
Arme
- 22,
24, 26
- Faser
- 28,
30, 32
- einseitig
eingespannte Balken
- 34
- Bragg-Gitter
- 36
- Lichtquelle
- 38
- Detektormodul
- 40
- Schlitz
- 42,
44
- ebene
Blätter
- 45
- freies
Ende
- 46
- Steuereinrichtung
- 43
- Abdeckung
- 41
- Spalt
- 48
- FBG-Messsystem
- 47
- Trägerelement
- 49
- fixierter
Endabschnitt
- 50,
51, 52
- freie
Arme
- 53,
54
- Fasern
- 55,
56, 57
- einseitig
eingespannte Balken
- 60,
62
- Bragg–Gitter
- 64
- dünner Film
- 91
- FBG-Messsystem
- 92
- Trägerelement
- 93,
94, 95
- freie
Arme
- 96
- Nuten
- 97,
98, 99
- einseitig
eingespannte Balken
- 66
- FBG
Messsystem
- 68
- Trägerelement
- 69
- mittige
Aussparung
- 70
- fixierter
Endabschnitt
- 72
- freier
Arm
- 74,
76, 78, 80
- optische
Fasern
- 82
- einseitig
eingespannter Balken
- 84
- Bragg-Gitter
- 85
- Umriss
der Biegung
- 86
- offenes
Ende des Balkens
- 88
- Füllmaterial
- 90
- Kappe
