DE102011052233A1 - Faseroptische Kohlendioxidreinheitssensoranordnung und –system - Google Patents

Faseroptische Kohlendioxidreinheitssensoranordnung und –system Download PDF

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Renato Guida
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Michael James Palleschi
Anthony James George
James Daniel Antalek
Jeffrey James Andritz
Dennis Anthony Pasquarella
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Abstract

Eine Kohlendioxid(CO2)-Reinheitssensoranordnung (80) schließt einen Faserkern (82), eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) innerhalb des Faserkernes (82) und eine Faserhülle (90) ein. Eine thermisch leitende Anzeigeschicht (92) ist um einen Teil der Faserhülle (90) herum angeordnet, die die hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) umgibt. Eine Gaskammer (94) schließt die Faserhülle (90) mit der thermisch leitenden Anzeigeschicht (92) ein.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Kohlendioxidreinheitsnachweis und spezieller auf faseroptische Kohlendioxidreinheitssensoren und -Anordnungen.
  • Der Nachweis und die Messung verschiedener brennbarer und toxischer Gase sind wichtige Funktionen in vielen Industriezweigen. So sind z. B. Kohlendioxid(CO2)-Reinheits-Nachweise und -Messungen häufig erwünschte oder eine erforderliche Funktion in Gebieten, wie bedarfsgesteuerte Ventilation, Transport, Kohlenstoffabscheidung, der Nahrungsmittelverarbeitungs-, Ölraffinerie- und chemischen Industrie und der Instandhaltung industrieller Systeme.
  • Der CO2-Reinheitsnachweis wurde viele Jahre lang untersucht und es wurden viele Arten von Ausführungsformen zur Anzeige auf der Grundlage elektrischer, optischer und elektrochemischer Sensoren in den Markt eingeführt. Existierende, die Reinheit von CO2 überwachende Instrumente beruhen typischerweise auf Nachweisverfahren der Wärmeleitfähigkeit (TCD) oder mittels optischem nicht-dispersiven Infrarot (NDIR). TCD ist ein allgemeines Gasanalyseverfahren mit nicht-spezifischen und nicht-destruktiven Charakteristiken, ergibt jedoch wegen thermischen Driftens keine hohe Auflösung für die genaue CO2-Gasreinheitsanalyse. In ähnlicher Weise hat der optische NDIR-Nachweis Beschränkungen beim Messen der Reinheit von CO2, wenn CO2 mit anderen Kohlenwasserstoffgasen vermischt ist. Andere Verfahren zum überwachen der CO2-Reinheit schließen die Anwendung von Messungen ein, die auf der Gasdichte und dem Differenzialdruck beruhen. Der Fluoreszenz-Nachweis auf der Grundlage eines in polymeres Dünnfilmmaterial eingebetteten Farbstoffes, das mit einer bloßen Faserspitze integriert ist, ist ein anderes optisches Verfahren zum überwachen der CO2-Gasreinheit in einem Strömungsmittelmedium. Diese Verfahren sind jedoch aufgrund von Variationen in Temperatur, Druck und Dichte des CO2-Gases Gegenstand von Variationen in der Lichtabsorption und resultieren dadurch in einer Grundlinienverschiebung und einer Verminderung der Genauigkeit.
  • Es besteht daher ein Bedarf an einem verbesserten Kohlendioxidreinheits-Messsensor und -System, um einige oder mehrere der vorerwähnten Probleme anzusprechen.
  • KURZE BESCHREIBUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kohlendioxid(CO2)-Reinheits-Sensoranordnung, die einen Faserkern, eine Faserhülle und eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur innerhalb des Faserkernes einschließt, geschaffen. Die Sensoranordnung schließt weiter eine thermisch leitende Anzeigeschicht, die um einen Teil der Faserhülle herum angeordnet ist, die die hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur umgibt und eine Gaskammer ein, die die Faserhülle mit der nano-strukturellen thermisch leitenden Anzeigeschicht einschließt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Messen der Kohlendioxid(CO2)-Reinheit einschließlich einer Lichtquelle zur Bereitstellung eines optischen Signals durch ein Faseroptikkabel und einem CO2-Reinheitssensor zum Empfang des optischen Signals geschaffen. Der CO2-Reinheitssensor schließt eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur mit einer thermisch leitenden Anzeigeschicht ein, die mit einer Faserhüllenstruktur integriert ist. Das System schließt weiter eine thermisch isolierte zylindrische Gaskammer zum Halten des CO2-Reinheitssensors in einem isothermen Zustand, einen Fotodetektor zum Empfangen eines reflektierten optischen Signals vom CO2-Reinheitssensor und eine Verarbeitungsschaltung ein, die mit dem Fotodetektor gekoppelt ist, um das reflektierte optische Signal zu analysieren.
  • Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Messen einer Mehrpunkt-Kohlendioxid (CO2)-Reinheit geschaffen. Das System schließt eine Lichtquelle zum Bereitstellen eines optischen Signals durch einen optischen Aufspalter zu einer Vielzahl von CO2-Sensoranordnungen, eine Fotodetektoranordnung zum Empfangen reflektierter optischer Signale von der Vielzahl von CO2-Reinheits-Sensoranordnungen und eine Verarbeitungsschaltung ein, die mit der Fotodetektoranordnung gekoppelt ist, um die reflektierten optischen Signale zu analysieren. Die CO2-Reinheits-Sensoranordnung schließt eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Faser-Bragg-Gitterstruktur innerhalb eines Faserkernes und eine thermisch leitende Anzeigeschicht ein, die mit einer Faserhüllstruktur integriert ist. Die CO2-Reinheits-Sensoranordnung schließt weiter ein apodisiertes Faser-Bragg-Gitter innerhalb des Faserkernes zum Anzeigen einer Grundlinien-Temperatur und von Variationen in der Grundlinien-Temperatur und eine thermisch isolierte zylindrische Gaskammer zum Halten der CO2-Reinheits-Sensoranordnung in einem isothermen Zustand ein.
  • ZEICHNUNG
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser verstanden, in der gleiche Bezugsziffern durch alle Figuren hindurch gleiche Teile repräsentieren, wobei.
  • 1 eine schematische Ansicht eines Kohlendioxid(CO2)-Gas-Reinheitsanzeigesystems mit einer Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine schematische Ansicht eines Kohlendioxid(CO2)-Gas-Reinheitsanzeigesystems mit mehreren Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Faser-CO2-Gasanzeige(FGS)-Anordnung zur Gasanzeige gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine grafische Darstellung einer FGS-Wellenlängenverschiebung als einer Funktion der Temperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 eine grafische Darstellung einer Variation der Wellenlängenverschiebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 eine grafische Darstellung der Reaktionen von zwei Faser-CO2-Gasreinheitssensoren für abwechselnde Luft- und CO2-Gas-Zyklusmessungen ist;
  • 8 eine grafische Darstellung der Reaktionen eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors für mit Luft vermischtes CO2-Gas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • 9 eine grafische Darstellung einer CO2-Gas-Nachweisempfindlichkeit von drei Faser-CO2-Gasreinheitssensoren mit mit N2 vermischtem CO2-Gas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 10 eine grafische Darstellung der CO2-Nachweisbarkeit eines Faser-Gasreinheitssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11 eine grafische Darstellung der Reaktion eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors mit CO2-Gaskonzentration im Bereich von 30% bis 70% mit Luft als einem gemischten Gas ist;
  • 12 eine grafische Darstellung der Wiederholbarkeit der Reaktion eines Faser-CO2-Gassensors in dem mit Luft vermischten CO2-Gas ist und
  • 13 eine grafische Darstellung der Reaktion der Amplitude eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors als eine Funktion einer Gasströmungsrate ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Beim Einführen von Elementen verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bedeuten die Artikel „ein”, „eine”, „der/die/das” und „der/die/das genannte”, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe „umfassend”, „einschließend” und „aufweisend” sollen einschließlich verstanden werden und sie bedeuten, dass zusätzliche Elemente über die aufgeführten Elemente hinaus vorhanden sein können.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Kohlendioxid(CO2)-Gasreinheits-Anzeigesystems 20, das eine Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einschließt. Allgemein schließt das Anzeigesystem 20 eine Lichtquelle 22, wie eine einstellbare Breitband-Lichtquelle, in Lichtverbindung mit einem optischen Koppler oder Zirkulator ein. Der optische Koppler 24 empfängt das von der Lichtquelle 22 übertragene Licht und überträgt einen Teil des Lichtes durch ein Faseroptikkabel 26. Das durch das Faseroptikkabel 26 hindurchgehende Licht tritt in einen Faser-Gassensor oder einen Faser-CO2-Gasreinheitssensor 30 ein. Ein Teil des durch den Faser-Gassensor 30 reflektierten Lichtes wird vom Fotodetektor 32 durch ein optisches Faserkabel 36 empfangen. Das durch Fotodetektor 32 erzeugte konvertierte Lichtsignal wird zu einer Verarbeitungsschaltung oder einer Datenerfassungseinheit 38 übertragen. In einer Ausführungsform überträgt ein drahtloses Interface 40 elektrische Signale zur Datenerfassungseinheit 38, und Datenerfassungseinheit 38 benutzt die reflektierten Signale, um die Reinheit des CO2-Gases zu überwachen. In einer anderen Ausführungsform wird ein Ethernetkabel benutzt, um elektrische Signale zur Datenerfassungseinheit 38 zu übertragen, und Datenerfassungseinheit 38 benutzt die übertragenen Signale zum Analysieren der CO2-Reinheit von einer Probenquelle oder einer Zielumgebung.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Kohlendioxid(CO2)-Gasreinheits-Anzeigesystems 50, das eine Mehrfaser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einschließt. Allgemein schließt Anzeigesystem 50 eine Lichtquelle 52, wie eine einstellbare Breitbandlichtquelle, in Lichtverbindung mit einem optischen 1 × 2-Aufspalter 54 ein. Der optische Aufspalter 54 überträgt ein Lichtsignal zu einem optischen 1 × N-Aufspalter 56, der dann das Licht durch eine Vielzahl optischer Faserkabel 58 hindurchfährt und es in eine Anordnung 60 von Faser-Gassensoren (FGS) eintreten lässt. Lichtsignale, die durch die Faser-Gassensoren 60 reflektiert sind, werden von einer Fotodetektor-Anordnung 62 empfangen. In einer Ausführungsform wird ein Wellenlängen-Multiplexverfahren benutzt. Lichtsignale von der Fotodetektor-Anordnung 62 werden dann zu einer Verarbeitungsschaltung oder einer Datenerfassungseinheit 66 übertragen, um die Reinheit des CO2-Gases zu überwachen. In einer Ausführungsform überträgt ein drahtloses Interface 64 elektrische Signale zur Datenerfassungseinheit 66. In einer Ausführungsform ist eine Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung innerhalb einer Vorrichtung zum Nachweisen der CO2-Reinheit installiert. Eine Vielzahl von Faser-CO2-Gasreinheitssensoren kann dann an mehreren Stellen zum gleichzeitigen Mehrpunktnachweis der CO2-Reinheit installiert werden.
  • 3 zeigt eine Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sensoranordnung 80 schließt Fasergitter 86, 88, thermische Stabilisatoren 100, eine Gaskammer 94 und einen zentralen Faserkern 82 ein, der sich entlang einer Längsachse 84 erstreckt. In einer Ausführungsform umfasst der zentrale Faserkern 82 mit Germaniumdioxid(GeO2) oder Fluor(F), co-dotiertes Siliciumdioxid und hat einen Durchmesser im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 9 μm. Faserkern 82 kann zwei hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Gitter 86, 88 einschließen, die unterschiedliche Amplituden-Modulationsprofile aufweisen. In einer Ausführungsform kann das periodisch modulierte Gitter eine apodisierte, ausgestrahlte oder ausgestrahlte und apodisierte Modulation umfassen, um, z. B., ein geführtes Kernmoduskoppeln zu Hüllenmodi durch Ausbreiten geführter Modus-Feldenergie zu einer Faserhülle 90 zu erhöhen. In einer Ausführungsform liegt die Gitterlänge im Bereich von 3 mm bis 25 mm und der Gittertyp umfasst ein Bragg-Gitter.
  • In einer Ausführungsform ist eine Anzeigeschicht 92 um die Faserhülle 90 in der Region des modulierten Fasergitters 86 gebildet und Gitter 88 umfasst eine apodisierte Fasergitterstruktur 88 innerhalb des Faserkernes 82 in einem Abstand entlang der Längsachse 84 mit Bezug auf die Fasergitterstruktur 86. Fasergitterstruktur 88 kann zum Bestimmen der Grundlinien-Temperatur des Sensors und auch von Variationen in der Grundlinien-Temperatur aufgrund einer Variation der Einlassgas-Temperatur in Realzeit benutzt werden und kann dadurch zum Korrigieren der Variation der Gassensor-Grundlinie benutzt werden.
  • Faserhülle 90 ist umfangsmäßig um Faserkern 82 herum angeordnet und schließt, in einer Ausführungsform, reines Siliciumdioxid oder Fluor-dotiertes Siliciumdioxid mit einem äußeren Durchmesser von etwa 125 μm ein. In einer Ausführungsform ist Faserhülle 90 konfiguriert, um als eine Wellenführung für die Lichtfortpflanzung durch Faserkern 82 zu wirken. Eine einstellbare Breitbandlichtquelle 22 (1) oder 52 (2) ist in Lichtverbindung mit dem optischen Faserkabel angeordnet und emittiert ein Licht im nahen Infrarot, das sich durch Faserkern 82 fortpflanzt.
  • Fasergitterstruktur 86 ist von einer thermisch leitenden Anzeigeschicht 92 umgeben, die in einer Ausführungsform einen nano-strukturellen Dünnfilm umfasst. In einer Ausführungsform umfasst die thermisch leitende Anzeigeschicht 92 einen metallischen Dünnfilm 92, der auf der Faser-Bragg-Gitterhülle 90 durch ein Magnetron-Zerstäubungs-Filmaufwachsverfahren abgeschieden ist. In einer Ausführungsform des Magnetron-Zerstäubungs-Filmaufwachsverfahrens ist die Temperatur des Substrates oder des Faser-Bragg-Gitters nahe der Umgebung und es wird eine Vakuumkammer mit 3,0 × 10–3 Torr benutzt. Die thermisch leitende Anzeigeschicht 92 schließt in einer Ausführungsform eine sandwichartige Dreifachschichtstruktur ein, worin die erste Schicht ein auf Titan oder Chrom beruhendes Bindematerial von 30–50 nm Dicke umfasst, die Mittelschicht thermisch leitendes Material (Cu, Au, Al usw.) von 100–400 nm Dicke einschließt und die Deckschicht Ni, Ti, Au oder Kombinationen davon als eine abdeckende Schicht von 30–50 nm Dicke zum Schützen des Anzeigematerials vor Oxidation, Korrosion und Erosion einschließt. In einer Ausführungsform liegt die Dicke der Anzeigeschicht 92 im Bereich von 50 nm bis 500 nm. In einigen Ausführungsformen können thermisch leitende nichtmetallische Filme als die Anzeigeschicht benutzt werden.
  • Gaskammer 94 schließt einen Gaseinlass 96 und einen Gasauslass 98 ein und wird zum Aufrechterhalten der Wechselwirkung des Fasersensors mit einem eingehenden Gasstrom benutzt. Gaskammer 94 kann hermetisch abgedichtet und mit einem thermischen Isolationsmaterial auf Faserglasgrundlage geschützt sein und hält die Fasergitterstruktur 86 in einem thermisch hoch energiereichen Zustand oder, in anderen Worten, erhöht die Temperatur der Fasergitterstruktur 86. Beträgt, z. B., die potenzielle maximale Temperatur des Eingangsgases 100°C, dann wird die Temperatur der Fasergitterstruktur auf eine Temperatur von mehr als 100°C erhöht. In einer Ausführungsform wird die Temperatur der Fasergitterstruktur um mindestens 20°C über der Temperatur des Eingangsgases gehalten. Das CO2-Gas tritt durch Gaseinlass 96 in Gaskammer 94 ein, führt eine Wechselwirkung mit der Anzeigeschicht 92 und der Fasergitterstruktur 86 aus und verlässt Gaskammer 94 durch Gasauslass 98. In einer Ausführungsform, bei der Einlass und Auslass derart ausgewählt sind, dass sie keinen direkten Gaspfad dazwischen bereitstellen, ist der Pfad durch Kammer 94 ein zickzackförmiger Gasströmungspfad 106. Eine Übertragung der thermischen Energie zwischen dem CO2-Gas und Sensor 80 resultiert in einer Wellenlängenverschiebung des durch den Faserkern 82 hindurchgehenden Lichtsignals. Da die Übertragung thermischer Energie von der Natur der thermischen Kapazität und spezifischen Wärme des CO2-Gases abhängt, kann die Wellenlängenverschiebung in Verbindung mit der gemessenen CO2-Gaskonzentration oder CO2-Reinheit in dem gemischten Gas gesetzt werden. Es ist auch zu bemerken, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des Faser-CO2-Gassensors von der thermischen Leitfähigkeit der anzeigenden Schicht 92 abhängt.
  • In einer Ausführungsform kann ein (nicht gezeigtes) Dreiweg-Schaltventil an dem Gaseinlass 96 vorgesehen sein, um ein Bezugsgas innerhalb der Gaskammer 94 zirkulieren zu lassen, bevor das Testgas oder das gemischte CO2-Gas in Gaskammer 94 injiziert wird, um die Empfindlichkeit der CO2-Reinheit mit dem zickzackförmigen Gasströmungspfad 106 zu differenzieren. Ein thermischer Stabilisator 100 kann auf Gaskammer 94 und Gaseinlass 96 zum Stabilisieren der Temperatur angeordnet sein. In anderen Worten, der thermische Stabilisator 100 ist zum Abschirmen des Sensors vor einer Variation der Umgebungstemperatur und zum Halten der Sensoranordnung in einem isothermen Zustand bereitgestellt. Der thermische Stabilisator hält die thermische Fluktuation der Sensoranordnung in einer Ausführungsform bei weniger als 0,1°C. Der thermische Stabilisator kann ein Heizband oder ein Heizkissen oder Heizdraht einschließen, das bzw. der mit einem (nicht gezeigten) Temperaturregler und einem (nicht gezeigten) Thermoelement zum Halten der Gaskammer bei konstanter Temperatur kombiniert sein. Weiter kann ein Ventil 102 vorgesehen sein, um die Strömung des Gases zu regeln, und ein Strömungsmesser 104 kann vorgesehen sein, um die Menge der Gasströmung zu messen.
  • Fasergitterstruktur 86 ist als ein thermisch empfindlicher Sensor zum Messen der CO2-Gaskonzentration und -Zusammensetzung funktionalisiert, weil CO2-Gas ein geringes Verhältnis der spezifischen Wärme (1,294), eine geringe spezifische Wärmekapazität (0,84 kJ/kg·K) und eine hohe Schmelzwärme (196,1 kJ/kg) und latente Verdampfungswärme (571 kJ/kg) aufweist. Tabelle 1 zeigt einige physikalische und chemische Eigenschaften verschiedener Gase. Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich, dass das CO2-Gas ein höheres Molekulargewicht aufweist als der Rest der Gase. Zusätzlich ist auch seine latente Verdampfungswärme hoch, doch ist seine thermische Leitfähigkeit relativ gering. Wenn somit CO2-Gas mit der Fasergitterstruktur in Wechselwirkung tritt, dann verliert die in der Fasergitterstruktur integrierte Anzeigeschicht thermische Energie an den CO2-Gasstrom. Seine Wellenlängenverschiebung wird somit durch den Gasstrom moduliert. Wird thermisch Energie oder Wärmeenergie von der Fasergitterstruktur 86 an das CO2-Gas übertragen, dann fällt die thermische Energie des Fasergitters oder dessen Temperatur, wird die Wärmeenergie um die Fasergitterstruktur 86 herum hinzugefügt, dann steigt die Wärmeenergie des Fasergitters oder dessen Temperatur an. Wenn CO2-Gas-Fasersensor 80 bei einer stabilen Betriebsbedingung gehalten wird, dann wird irgendeine Temperaturvariation Wellenlängenverschiebungen in der Fasergitterstruktur 86 modulieren. In einer Ausführungsform tritt eine Variation der thermischen Energie wegen des Gasstromes über die Fasergitterstruktur 86 und den Ausgleich thermischer Energie dazwischen auf.
  • Die Resonanzwellenlänge λB(T0) der Fasergitterstruktur 86 bei einer Umgebungstemperatur T0 ist gegeben durch: λPB(T0) = 2·n·Λ(T0) (1) worin n einen effektiven Brechungsindex des Faserkernes und Λ die Modulations-Periodizität der Fasergitterstruktur ist.
    Industriegas Latente Verdampfungswärme (kJ/kg) Wärme-Leitfähigkeit (x10–3 W/m·K) Schmelzwärme (kJ/kg) Cp (kJ/Mol·K) Cv (kJ/Mol·K) Verhältnis der spezifischen Wärme Spezifische Wärme-Kapazität (kJ/kg·K) Molekulargewicht (g/mol)
    H2S 574 12,98 69,8 0,034 - 1,00 34,08
    CO2 571 14,65 196,1 0,037 0,028 1,294 0,84 44,1
    CH4 510 32,81 58,7 0,035 0,027 1,305 2,18 16,04
    H2 454 168,35 58,2 0,029 0,021 1,384 14,38 2,02
    CO 215 23,03 27,9 0,029 0,020 1,402 1,04 28,01
    O2 213 24,24 13,9 0,029 0,021 1,393 0,91 32,00
    N2 200 24,00 25,7 0,029 0,020 1,404 1,04 28,01
    Luft 199 23,94 22,5 0,029 0,02 1,403 1,00 28,95
    H2 20 142,64 - 0,020 0,012 1,664 5,00 4,00
    Tabelle 1
  • Weiter kann die Reaktion der Wellenlänge Δλ(T) der Fasergitterstruktur 86 bei einer Temperatur T gegeben sein durch: Δλ(T) = kT·(T – T0) + ke·ΔH (2) worin kT der Koeffizient der Reaktion der Temperatur des Fasergitters gegeben als kT ≈ (11 ± 2) pm/°C und ΔH die Enthalpie oder der gesamte Wärmeenergieaustausch mit einem Fasergitter mit einem Kalibrierungsfaktor von ke ist. Im Allgemeinen ist der thermische Energieaustausch proportional den Änderungen in der Gasstromtemperatur und gegeben durch ΔH ∝ (T – T0) (3)
  • Mit der Hinzufügung der Anzeigeschicht 92 kann das Wellenlängen-Reaktion der Fasergitterstruktur 86 gegeben sein durch: Δλ(T) = κ·(T – T0) (4) worin κ die modifizierte Empfindlichkeit der Temperatur-Reaktion des Faser-CO2-Gasreinheitssensors repräsentiert.
  • Anzeigeschicht 92 umfasst ein thermisch leitendes Material, das als ein wirksames Wärmeübertragungsmedium wirkt, und sie wird benutzt, um die Empfindlichkeit des Faser-Bragggitters auf die umgebende Temperaturvariation zu erhöhen, die durch den thermischen CO2-Gas-Wärmeaustauschprozess induziert wird. Das Material für Anzeigeschicht 92 wird ausgewählt auf der Grundlage seiner thermischen Eigenschaften und auch der Art und Weise, in der es mit einem speziellen Mischgas in Wechselwirkung tritt. Allgemein erfordert der Gassensor eine rasche Reaktionszeit. Ein Material, das innerhalb weniger Sekunden auf ein CO2-Gas reagiert, ist für die Anzeigeschicht brauchbar. Um eine gut messbare Reaktion des Faser-CO2-Gasreinheitssensors 80 zu haben, umfasst Anzeigeschicht 92 in einer Ausführungsform ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher Massendichte in einer Umgebung konstanter Temperatur. Die Anzeigeschicht hoher thermischer Leitfähigkeit ergibt einen raschen thermischen Energieaustausch vom Faser-Bragg-Gitter zum Gasstrom. In einer Ausführungsform kann die thermische Leitfähigkeit der leitenden Anzeigeschicht im Bereich von etwa 71 W/m·K bis etwa 429 W/m·K liegen. Beispiele eines dünnen Anzeigeschichtmaterials schließen Aluminium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Silber, Gold, Palladium und Platin ein. Die Beispiele schließen weiter Diamant, diamantartigen Kohlenstoff (DLC), Indiumzinnoxide (ITO) mit kontrollierter poröser Struktur oder Nano-Teilchenmorphologie ein. Mit einer typischen Dicke von mehreren 10 nm bis zu mehreren 100 nm kann diese dünne Anzeigeschicht eine brauchbare Reaktionsgeschwindigkeit auf ein CO2-Gas und seine durch Reinheitsvariation induzierten Temperaturänderungen ergeben.
  • Wird das Einlassgas mit einer Temperatur (TGAS), die geringer ist als die Temperatur (TFGS) des Faser-CO2-Gasreinheitssensors durch die Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung 80 gespült, dann wird die mit thermischer Energie versehene Fasergitterstruktur 86 zusammen mit der Anzeigeschicht 92 thermische Energie an den Gasstrom abgeben. In einer Ausführungsform kann die Temperatur des thermischen Stabilisators als ein Modulationsparameter benutzt werden. In einer Ausführungsform kann, z. B., die Temperatur der durch den thermischen Stabilisator geregelten Gaskammer um 20–50°C fallen, wenn der CO2-Gasstrom durch die Gasfasersensor-Anordnungskammer hindurchgeht. In noch einer anderen Ausführungsform kann der Koeffizient der Verdampfungswärme des CO2-Gases als ein anderer Modulationsparameter benutzt werden, um zu bestimmen, wie rasch die absorbierten CO2-Moleküle in der Anzeigeschicht verdampft werden können. Für ein reines CO2-Gas beträgt z. B. der Koeffizient der Verdampfungswärme 571 kJ/kg, während er für Luft 199 kJ/kg und für N2 200 kJ/kg beträgt. Die Reinheit der verschiedenen gemischten CO2-Gase kann daher durch kalibrierte Amplituden- und Zeitreaktion des Gasfasersensorsignals unter einer konstanten Gasströmungsrate erhalten werden.
  • In einer Ausführungsform kann für eine rasche Reaktion auf eine thermische Energieübertragung das Anzeigematerial 92 eine nanoporöse Struktur umfassen. Die nanoporöe Struktur gestattet es den Molekülen des Mischgases durch Übertragen der Wärmeenergie vom Fasersensor auf das strömende Gas und umgekehrt leicht einzudiffundieren und auch leicht herauszudiffundieren. In einer Ausführungsform wird Anzeigematerial 92 durch Zerstäuben mit einer nanoporösen Morphologie, die durch Anwenden geringer Zerstäubungstemperatur von etwa 20–25°C geregelt wird, auf das Faser-Bragg-Gitter aufgebracht. In einer anderen Ausführungsform sind für eine rasche Reaktion auf eine Übertragung thermischer Energie der Gaseinlass und Gasauslass in einem seitlichen Modus entworfen, sodass die Richtung des Gasstromes nicht parallel zur Fasersensorachse verläuft. Wenn die Stromrichtung nicht parallel ist, tritt ein zickzackförmiger Gasströmungspfad 106 auf und ermöglicht einen direkten Prozess des thermischen Energieaustausches des Gasstromes ohne eine die Fasersensor-Oberfläche umgebende Schicht zu bilden, die eine stationäre Strömungsrate von null aufweist.
  • 4 zeigt eine Faser-Gasanzeige(FGS)-Sensoranordnung 120 zum Gasnachweis. In einer Ausführungsform kann ein Gassensor unterschiedliche Empfindlichkeit auf verschiedene CO2-Gase bei verschiedenen Konzentrationsbereichen aufweisen. In einer anderen Ausführungsform wird eine Anordnung der Faser-Gassensoren benutzt, um ein anomales Ereignis eines speziellen Gases zu bestimmen. FGS-Anordnung 120 kann somit benutzt werden, wenn Reinheit von CO2-Gas in einer Vielfalt von Mischgasen zu bestimmen ist. Jede FGS-Anordnung kann unterschiedliche Anzeigeschichtmaterialien aufweisen, um sie an verschiedene CO2-Gas-Nachweisempfindlichkeiten anzupassen. FGS-Anordnung 120 schließt eine Vielzahl von Faser-Gassensoranordnungen 121 von Fasergitterstrukturen 122 und apodisierten Fasergitterstrukturen 124 ein. In der in 4 gezeigten Ausführungsform werden vier Anordnungen von Fasergitterstrukturen benutzt. Jede Anordnung ist innerhalb einer V-Rille 126 einer Faserhülle 128 angeordnet und mit einer (nicht gezeigten) thermisch leitenden Anzeigeschicht, wie Schicht 92 von 3, integriert. Die Anzeigeschicht für jede der Anordnungen kann mit verschiedenen Anzeigmaterialien zum Anzeigen der CO2-Reinheit in einem spezifischen Gaskonzentrationsbereich oder mit dem gleichen Material funktionalisiert sein, wenn es erforderlich ist, eine spezifische CO2-Gas-Zusammensetzung und -Konzentration zu bestimmen. So kann, z. B., eine der Anordnungen zum Anzeigen der CO2–Reinheit in einem gemischten Gas mit einer Mischung von Luft und geringer CO2-Konzentration optimiert sein, und eine andere Anordnung kann zum Anzeigen der CO2-Reinheit in einem gemischten Luftgas mit hoher CO2-Konzentration optimiert sein. In einer Ausführungsform werden alle Sensoren in der Anordnung benutzt, zu bestimmen, ob die Luftkonzentration geringer als 5% in der CO2-Gasmischung ist, was eine wichtige Luftkonzentration in CO2 für Wasserstoff-gekühlte Prozesse zum Instandhalten von Generatoren ist.
  • 5 zeigt ein Diagramm 130 einer FGS-Wellenlängenverschiebung als einer Funktion der Temperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diagramm 130 ist für einen Gasfasersensor, der mit einer Anzeigeschicht aus einem nanoporösen Kupfer(Cu)-Material und mit einer Dicke von 500 nm funktionalisiert ist. Aus Diagramm 130 ist ersichtlich, dass als ein thermischer Sensor die zentrale Spitzenleistung, die in Dezibelmilliwatt (dBm) gemessen ist, eine Verschiebung nach oben zeigt, während die Temperatur von der Umgebung bis auf 90°C zunimmt. Aus Diagramm 130 ist ersichtlich, dass die FGS-Spitzenposition 132 mit der Temperatur variiert und somit von der Temperatur abhängig ist. Diese Abhängigkeit wird dann in das Reflexionsvermögen des optischen Signals übersetzt und zum Messen der Reinheit von CO2 in einem gemischten Gas benutzt.
  • 6 repräsentiert ein Diagramm 140 einer Variation der Wellenlängenverschiebung in Nanometer (nm) mit Bezug auf die Temperatur in °C. Aus Diagramm 140 ist ersichtlich, dass eine lineare Beziehung zwischen der Wellenlängenverschiebung des Faser-Gassensors und der äußeren Temperatur mit einer Empfindlichkeit von 13,3 pm/°C existiert, was etwa 15,6% höher ist als eine (nicht gezeigte) bloße FBG-Temperaturempfindlichkeit von 11,5 pm/°C. Für verschiedene Anzeigematerialien, bei denen die Dicke der Anzeigeschicht geringer als 500 nm ist, liegt die Empfindlichkeit bei etwa (13,5 ± 0,3) pm/°C.
  • 7 zeigt ein Diagramm 150 der Reaktion eines Faser-CO2-Gassensors für CO2-Reinheitsmessung. Diagramm 150 zeigt zwei Reaktionen. Reaktion 152 ist für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Nickel als der Anzeigeschicht und die andere Reaktion 154 ist für einen Faser-CO2-Gassensor mit 100 nm Nickel als die Anzeigeschicht. Die Vorrichtung, für die die CO2-Reinheit gemessen wurde, enthielt zwei Gase alternativ i) CO2 und ii) Luft mit Gaskammertemperatur bei 125°C. Die Spitzenwellenlänge des Faser-Gassensors nimmt mit CO2- und Luftzyklen zu oder ab. Die Reaktion des Sensors mit der dickeren Anzeigeschicht (500 nm) beträgt von 50 pm bis 250 pm, während die Reaktion des Sensors mit der dünneren Anzeigeschicht (100 nm) von 50 bis 225 pm von der CO2- zur Luftgasströmung beträgt. Es ist weiter ersichtlich, dass die Reaktionszeit beider Sensoren nahezu die gleiche ist.
  • 8 zeigt ein anderes Diagramm 170 einer Reaktion eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors für einen vollen Bereich von Messungen von mit Luft vermischtem CO2-Gas. Dieser Faser-Gasreinheitssensor hat eine Anzeigeschicht von 500 nm auf Nickelmaterialgrundlage. Die Vorrichtung, für die mit Luft vermengtes CO2-Gas gemessen wurde, begann mit 100% CO2 zu 100% Luft, dann wurde die CO2-Reinheit von 95% auf 5% verringert, wie gezeigt. Das Diagramm zeigt klar die Empfindlichkeit des Faser-CO2-Gassensors für CO2, wobei zwischendurch ein 100% Luft-Zyklus benutzt wurde, um die CO2-Reinheit zu differenzieren. Zum Verdünnen von CO2 wurde getrocknete Luft in die Vorrichtung eingeleitet. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, nimmt die Spitzenwellenlänge des abgegebenen Lichtsignals des Faser-Gassensors mit erhöhter oder verminderter CO2-Reinheit zu oder ab. In einer Ausführungsform haben Prototypen von Faser-Gassensoren mindestens 5% Empfindlichkeit oder Nachweisbarkeit für eine Änderung der CO2-Reinheit.
  • 9 zeigt ein Diagramm 180 der CO2-Gas-Nachweisempfindlichkeit von drei Faser-CO2-Gasreinheitssensoren von mit N2 vermischtem CO2-Gas. Diagramm 180 schließt drei Reaktionen ein. Reaktion 182 ist für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Nickel als Anzeigeschicht, Reaktion 184 ist für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Aluminium als die Anzeigeschicht und eine andere Reaktion 186 ist für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Kupfer als die Anzeigeschicht. Aus Diagramm 180 ist ersichtlich, dass für eine 500 nm dicke Anzeigeschicht Aluminium-, Kupfer- und Nickel-überzogene Faser-Gassensoren eine Empfindlichkeit von (0,75 ± 0,08) pm/% für N2-vermischtes CO2-Gas haben, wenn die Gassensoranordnung bei 125°C gehalten wird. Da Luft ähnlich N2 in der Zusammensetzung ist, repräsentiert 0,7 pm pro 1% CO2 eine typische Empfindlichkeit. In einer Ausführungsform kann die Empfindlichkeit jedoch durch Erhöhen der Temperatur des thermischen Stabilisators oder durch Erweitern der Temperaturdifferenz zwischen der Sensoranordnung und der Temperatur des Einlassgases verbessert werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Empfindlichkeit durch Erhöhen der Gasströmungsrate verbessert werden. In diesen Ausführungsformen kann die Empfindlichkeit des CO2-Reinheitssensors um 1,5–2 mal höher sein als in Ausführungsformen, bei denen solche Techniken nicht benutzt werden.
  • 10 zeigt ein anderes Diagramm 190 einer Reaktion eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors für CO2-Reinheitsmessung. Diagramm 190 schließt drei Bereiche des CO2-Reinheitsnachweises durch einen Faser-Gasreinheitssensor ein. Die Vorrichtung, für die CO2-Reinheit gemessen wird, enthielt zuerst 90% CO2, dann wurde die CO2-Reinheit von 90% auf 97%, wie gezeigt, erhöht. Zum Verdünnen von CO2 wurde getrocknete Luft in die Vorrichtung eingeführt, um das gemischte Gas zu erzeugen, und dann wurde das gemischte Gas in die Gassensoranordnung befördert. Der Wärmeenergieaustausch zwischen dem Faser-Gassensor und verdünntem CO2-Gas ändert die Wellenlängenverschiebung des Faser-Gassensors wegen unterschiedlicher spezifischer Wärmekapazität und der Variation des Koeffizienten der latenten Verdampfungswärme. Die Spitzen-Wellenlängenverschiebung des Faser-Gassensors nimmt mit variierter CO2-Reinheit zu oder ab. Aus den Reaktionen ist ersichtlich, dass die Faser-Gassensor-Prototypen mindestens 1% Empfindlichkeit oder Nachweisbarkeit für CO2-Reinheitsänderung haben. Es ist zu bemerken, dass die Reaktionsamplitude und -zeit des Gassensors durch Erhöhen der Gasströmungsrate verbessert werden können.
  • 11 zeigt noch ein anderes Diagramm 220 der Reaktion des Faser-Gassensors zur CO2-Reinheitsmessung. Diagramm 220 demonstriert die Fähigkeit des Faser-Gassensors beim Messen eines breiten Bereiches von CO2-Konzentrationen von 30% bis 70%, vermischt mit Luft. Die Grundlinie 222 repräsentiert keine Gasströmung durch die Gassensorkammer, sodass sich der Faser-Gassensor bei höherer Wellenlänge befindet, bestimmt durch die Temperatur des thermischen Stabilisators. Diagramm 220 zeigt auch, dass unterschiedliche CO2-Gaskonzentrationen zu unterschiedlichen Wellenlängenverschiebungen nach unten führen. Der Unterschied zwischen der Grundlinie und der maximalen Wellenlängenverschiebung nach unten kann dazu benutzt werden, den CO2-Gasreinheitssensor zu kalibrieren.
  • 12 zeigt die Wiederholbarkeit oder Langzeitstabilität der Reaktion 240 des Faser-CO2-Gassensors in einem mit Luft vermischten CO2-Gas. Das Testgas beträgt 30% CO2 vermischt mit Luft. Der Gassensor wird für 760 Minuten zyklisch betrieben bei einer Gasabschaltung von etwa 50 Minuten von 310–360 Minuten. Da die CO2-Konzentration konstant ist, bleibt die maximale Wellenlängenverschiebung nach unten innerhalb eines 0,5% Fehlerbereiches.
  • 13 zeigt eine Amplitudenreaktion 260 eines Faser-CO2-Gassensors als eine Funktion der Gasströmungsrate. Die Gasströmungsrate wird von 300 Standard-cm3 bis 900 Standard-cm3 variiert und die Variation in der Amplitude wird zu von etwa 224 pm bis etwa 650 pm beobachtet. Es ist somit aus Diagramm 260 ersichtlich, dass die Wellenlängenverschiebung nach unten oder die Reaktionsamplitude und Reaktionszeit von der Gasströmungsrate abhängt. Unter einer konstanten Strömungsrate kann die Wellenlängenreaktion des Faser-Gassensors mit CO2-Reinheit oder mit gemischten CO2 kalibriert werden.
  • Es wurden somit Einzelpunkt- und Mehrpunkt-CO2-Reinheitsnachweissysteme begründet, um Wellenlängenverschiebungen von ein oder mehr Faser-Gassensoren als einer Funktion der CO2-Gaskonzentration zu kalibrieren. Einer der Vorteile der beschriebenen CO2-Reinheitssensoren ist die hohe Empfindlichkeit oder Nachweisbarkeit. Der Sensor ist in der Lage, CO2-Reinheit im Bereich von 0% bis 100% zu messen, hat eine geringe Komplexität und kann sicher in harschen Umgebungen eingesetzt werden. Sicherheitsmaßnahmen für die Vorrichtung, bei der diese Sensoren installiert sind, können daher weniger komplex und weniger teuer werden.
  • Während nur gewisse Merkmale der Erfindung dargestellt und hierin beschrieben wurden, sind dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zugänglich. Es sollte daher klar sein, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen mit abdecken, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
  • Eine Kohlendioxid(CO2)-Reinheitssensoranordnung 80 schließt einen Faserkern 82, eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur 86 innerhalb des Faserkernes 82 und eine Faserhülle 90 ein. Eine thermisch leitende Anzeigeschicht 92 ist um einen Teil der Faserhülle 90 herum angeordnet, die die hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur 86 umgibt. Eine Gaskammer 94 schließt die Faserhülle 90 mit der thermisch leitenden Anzeigeschicht 92 ein.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    Kohlendioxid(CO2)-Gasreinheits-Anzeigesystem
    22
    Lichtquelle
    24
    optischer Koppler
    26
    optisches Faserkabel
    30
    Faser-CO2-Gasreinheitssensor
    32
    Fotodetektor
    36
    optisches Faserkabel
    38
    Datenerfassungseinheit
    40
    drahtloses Interface
    50
    CO2-Gasreinheits-Anzeigesystem
    52
    Lichtquelle
    54
    optischer Aufspalter
    56
    optischer 1 × N-Aufspalter
    58
    optische Faserkabel
    60
    Faser-Gassensoren
    62
    Fotodetektoranordnung
    64
    drahtloses Interface
    66
    Datenerfassungseinheit
    80
    Faser-CO2-Gasreinheitssensoranordnung
    82
    zentraler Faserkern
    84
    Längsachse
    86, 88
    periodisch modulierte Brechungsindexgitter
    90
    Faserhülle
    92
    Anzeigeschicht
    94
    Gaskammer
    96
    Gaseinlass
    98
    Gasauslass
    100
    thermische Stabilisatoren
    102
    Ventil
    104
    Strömungsmesser
    106
    zickzackförmiger Gasströmungspfad
    120
    Faser-Gasanzeige(FGS)-Anordnung
    121
    Faser-Gassensoranordnungen
    122
    Fasergitterstrukturen
    124
    apodisierte Fasergitterstrukturen
    126
    V-Rille
    128
    Faserhülle
    130
    Diagramm einer FGS-Wellenlängenverschiebung als eine Funktion der Temperatur
    132
    FGS-Spitzenposition
    140
    Diagramm einer Variation der Wellenlängenverschiebung mit Bezug auf die Temperatur
    150
    Diagramm einer Reaktion des Faser-CO2-Gassensors zur CO2-Reinheitsmessung
    152
    Reaktion für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Nickel als der Anzeigeschicht
    154
    Reaktion für einen Faser-CO2-Gassensor mit 100 nm Nickel als der Anzeigeschicht
    170
    Diagramm einer Reaktion eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors für einen vollen Bereich von Messungen von mit Luft vermischtem CO2-Gas
    180
    Diagramm der CO2-Gasnachweisempfindlichkeit von drei Faser-CO2-Gasreinheitssensoren mit mit N2 vermischtem CO2-Gas
    182
    Reaktion für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Nickel als der Anzeigeschicht
    184
    Reaktion für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Aluminium als der Anzeigeschicht
    186
    Reaktion für einen Faser-CO2-Gassensor mit 500 nm Kupfer als der Anzeigeschicht
    190
    Diagramm einer Reaktion eines Faser-CO2-Gasreinheitssensors zur CO2-Reinheitsmessung
    220
    Diagramm der Reaktion eines Faser-Gassensors zur CO2-Reinheitsmessung
    222
    Grundlinie
    240
    Wiederholbarkeitsreaktion eines Faser-CO2-Gassensors für ein mit Luft vermischtes CO2-Gas
    260
    Reaktion der Amplitude eines Faser-CO2-Gassensors als eine Funktion der Gasströmungsrate

Claims (10)

  1. Kohlendioxid(CO2)-Reinheitssensoranordnung (80), umfassend: einen Faserkern (82), eine Faserhülle (90), eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) innerhalb des Faserkernes (82), eine thermisch leitende Anzeigeschicht (92), die um einen Teil der Faserhülle (90) angeordnet ist, die die hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) umgibt, und eine Gaskammer (94), die die Faserhülle (90) mit der thermisch leitenden Anzeigeschicht (92) einschließt.
  2. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 1, weiter umfassend ein apodisiertes Fasergitter (88) zum Anzeigen einer Grundlinientemperatur und von Variationen in der Grundlinientemperatur.
  3. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 1, worin die Gaskammer (94) hermetisch abgedichtet ist und einen durch Fiberglas geschützten thermischen Stabilisator (100) umfasst, um die Sensoranordnung (80) vor Umgebungstemperatur-Variation abzuschirmen und die Sensoranordnung in einem isothermen Zustand zu halten.
  4. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 1, worin eine thermische Leitfähigkeit des thermisch leitenden Materials im Bereich von etwa 71 W/m·K bis etwa 429 W/m·K liegt.
  5. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 4, worin das thermisch leitende Material Aluminium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Silber, Gold, Palladium oder Platin umfasst.
  6. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 4, worin das thermisch leitende Material Diamant, diamantartigen Kohlenstoff oder Indiumzinnoxide mit kontrollierter poröser Struktur oder Nanoteilchen-Morphologie umfasst.
  7. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 1, worin die thermisch leitende Anzeigeschicht (92) eine sandwichartige Dreischichtstruktur umfasst, die eine erste Schicht aus einem Bindematerial auf Titan- oder Chromgrundlage, eine Mittelschicht aus dem thermisch leitenden Material und eine Bodenschicht, umfassend eine Abdeckschicht zum Schützen des thermisch leitenden Materials gegen Oxidation, Korrosion und Erosion umfasst.
  8. CO2-Reinheitssensoranordnung nach Anspruch 1, worin die hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gitterstrukturen umfasst und die thermisch leitende Anzeigeschicht (92) eine Vielzahl thermisch leitender Anzeigeschichten umfasst, die mit Bezug auf die entsprechenden, hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierten Faser-Bragg-Gitterstrukturen angeordnet sind, worin mindestens einige der thermisch leitenden Anzeigeschichten zum Messen der CO2-Reinheit in verschiedenen Arten von gemischten Gasen funktionalisiert sind.
  9. System (20) zum Messen der Kohlendioxid(CO2)-Reinheit, umfassend: eine Lichtquelle (22) zur Bereitstellung eines optischen Signals durch ein Faseroptikkabel (26), einen CO2-Reinheitssensor (30) zur Aufnahme des optischen Signals, wobei der CO2-Reinheitssensor (30) eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Fasergitterstruktur (86) mit einer thermisch leitenden Anzeigeschicht (92) umfasst, die mit einer Faserhüllenstruktur (90) integriert ist, eine thermisch isolierte zylindrische Gaskammer (94) zum Halten des CO2-Reinheitssensors (30) in einem isothermen Zustand, einen Fotodetektor (32) zum Aufnehmen eines reflektierten optischen Signals von dem CO2-Reinheitssensor (30) und eine Verarbeitungsschaltung (38), die mit dem Fotodetektor (32) gekoppelt ist, um das reflektierte optische Signal zu analysieren.
  10. System (50) zum Messen einer Kohlendioxid(CO2)-Mehrpunktreinheit, umfassend: eine Lichtquelle (52) zum Bereitstellen eines optischen Signals durch einen optischen Aufspalter (54) zu einer Vielzahl von CO2-Reinheitssensoranordnungen (60), eine Fotodetektoranordnung (62) zum Aufnehmen reflektierter optischer Signale von der Vielzahl von CO2-Reinheitssensoranordnungen (60), eine Verarbeitungsschaltung (66), die mit der Fotodetektoranordnung (62) gekoppelt ist, um die reflektierten optischen Signale zu analysieren, worin jede der CO2-Reinheitssensoranordnungen (60) umfasst: eine hinsichtlich des Brechungsindex periodisch modulierte Faser-Bragg-Gitterstruktur (86) innerhalb eines Faserkernes (82) und eine nanostrukturierte thermisch leitende Anzeigeschicht (92), die mit einer Faserhüllenstruktur (90) integriert ist, ein apodisiertes Faser-Bragg-Gitter (88) innerhalb des Faserkernes (82) zum Anzeigen einer Grundlinientemperatur und von Variationen in der Grundlinientemperatur und eine thermisch isolierte zylindrische Gaskammer (94) zum Halten der CO2-Reinheitssensoranordnung (60) in einem isothermen Zustand.
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