DE102014114816B4 - Poröser, linsenförmiger Keramikkörper zur Temperaturmessung - Google Patents

Poröser, linsenförmiger Keramikkörper zur Temperaturmessung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (10) zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, umfassend mindestens einen schwarzen Keramikkörper (20) zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter (15) zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper (20) ausgesendeten Infrarotstrahlung an einen Detektor, wobei ein dem schwarzen Keramikkörper (20) zugewandtes erstes Ende (16) des Lichtwellenleiters (15) durch eine Kapillare (30) vom schwarzen Keramikkörper (20) beabstandet angeordnet ist und der schwarze Keramikkörper (20) die ausgesandte Infrarotstrahlung in eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters (15) hineinstrahlt, wobei der schwarze Keramikkörper (20) optisch absorbierende Dotanden, insbesondere Silicium und/oder Carbon und/oder Siliciumcarbid, aufweist, wobei der schwarze Keramikkörper (20) porös und linsenförmig ausgebildet ist und ein zum schwarzen Keramikkörper (20) weisendes erstes Ende (31) der Kapillare (30) abdeckt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere zur Temperaturmessung eines strömenden Gases, umfassend mindestens einen schwarzen Keramikkörper zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper ausgesendeten Infrarotstrahlung an einen Detektor, wobei ein dem schwarzen Keramikkörper zugewandtes erstes Ende des Lichtwellenleiters durch eine Kapillare vom schwarzen Keramikkörper beabstandet angeordnet ist und der schwarze Keramikkörper die ausgesandte Infrarotstrahlung in eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters hineinstrahlt, wobei der schwarze Keramikkörper optisch absorbierende Dotanden aufweist, wobei der schwarze Keramikkörper porös und linsenförmig ausgebildet ist und ein zum schwarzen Keramikkörper weisendes erstes Ende der Kapillare abdeckt.
  • Aus US 5 364 186 A ist eine Vorrichtung zur Temperaturmessung bekannt, wobei die Vorrichtung eine beschichtete Lichtleitfaser umfasst. Des Weiteren ist ein beschichtetes Rohr als Endstück vorgesehen. Aufgrund der Beschichtung der Faser kann diese die Temperatur bei der Messung aufnehmen, jedoch nicht schnell weiterleiten, da die thermische Masse der Faser oder der am Boden geschlossenen Kapillare die Zeitkonstante bestimmt. Die in US 5 364 186 A offenbarte Faser ist aus Gründen der Temperaturbelastung aus Al2O3 hergestellt. Aufgrund der relativ hohen thermischen Ausdehnung dieses Materials treten in der offenbarten Vorrichtung zur Temperaturmessung mechanische Probleme aufgrund von Ausdehnungsfehlanpassungen auf. Derartige mechanische Probleme treten vor allem im dynamischen Fall bei hoher Temperaturwechselbelastung auf.
  • In DE 10 2012 201 501 A9 wird eine Vorrichtung zur Temperaturbestimmung einer Schmelze offenbart. Die Vorrichtung umfasst ein Detektorelement, das die Signale eines Leiterelements erfasst. Bei dem Detektorelement handelt es sich um eine Linse, die von dem Abstrahlbereich des Leiterelements ausgehende optische Signale bündelt und an eine optische Faser übergibt. Das Detektorelement dient einer Signalbearbeitung, indem es die von dem Leiterelement ausgehenden optischen Signale erfasst und in Form von optischen Signalen weiterleitet.
  • Die JP S 59- 225 321 A offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur Temperaturmessung, wobei hierzu ein aus einer Metalllegierung hergestelltes Element an einem Lichtwellenleiter ausgebildet ist.
  • In DE 30 50 498 C2 wird eine spezielle Form eines Lichtleiters beschrieben, wobei die Stirnfläche des Lichtleiters selbst zur Arbeitsfläche ausgebildet ist, sodass die durch diese Fläche hindurchgehende Wärmestrahlung als Messsignal verwendet wird.
  • Gemäß DE 10 2008 022 571 A1 ist es bekannt, an einer Schaufel oder Wandung einer Gasturbine eine Schwarzkörperfläche auszubilden, wobei diese aus Platin besteht.
  • In US 5 277 496 A wird ein Gassensor für strömende Gase offenbart. Hierbei wird die von einer schwarzen Kermikspitze ausgesandte Infrarotstrahlung zu einem Lichtwellenleiter weitergeleitet. Zwischen der Keramikspitze und dem Lichtwellenleiter ist eine Linse angeordnet. Die Infrarotstrahlung des Keramikkörpers wird somit mittels der Linse gebündelt und an den Lichtwellenleiter weitergeleitet.
  • Des Weiteren ist die Reaktionszeit der beschriebenen Temperaturmessvorrichtung sehr hoch. Bei einer Temperaturmessung im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine sollte eine derartige Messung jedoch sehr schnell durchführbar sein, um einerseits Bauteile, wie z.B. den Turbolader vor Überhitzung zu schützen und andererseits heiße, vom jeweiligen Zylinder abgegebene Abgasvolumina zu detektieren und ggf. mit anderen Zylinderausschüben zu vergleichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, anzugeben, so dass die vorerwähnten Nachteile überwunden werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur Temperaturmessung anzugeben, umfassend mindestens einen schwarzen Keramikkörper zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper ausgesendeten Infrarotstrahlung an einen Detektor, wobei ein dem schwarzen Keramikkörper zugewandtes erstes Ende des Lichtwellenleiters durch eine Kapillare vom Keramikkörper beabstandet angeordnet ist. Mit anderen Worten wird eine Vorrichtung zur Temperaturmessung beschrieben, die auf der Basis eines strahlenden schwarzen Körpers, dessen Abstrahlungsleistung mittels eines Lichtwellenleiters durch beispielsweise einen Interferenzfilter an einem Detektor nachgewiesen wird, beruht.
  • Der schwarze Keramikkörper straht die ausgesandte Infrarotstrahlung in eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters hinein, wobei der schwarze Keramikkörper optisch absorbierende Dotanden aufweist.
  • Weiterhin ist der schwarze Keramikkörper porös und linsenförmig ausgebildet und deckt einzum schwarzen Keramikkörper weisendes erstes Ende der Kapillare ab.
  • Der schwarze Keramikkörper kann beispielsweise aus einem Sinterverbund aus amorphem Siliciumdioxid (SiO2) mit Silicium (Si) und/oder mit Kohlenstoff (C) und/oder mit Siliciumcarbid (SiC) bestehen. Mit anderen Worten besteht der Sinterverbund des schwarzen Keramikkörpers aus amorphem Siliciumdioxid und einem weiteren Element. Bei diesem weiteren Element kann es sich beispielsweise um Silicium (Si) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Siliciumcarbid (SiC) handeln.
  • Der Anteil von Silicium (Si) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Siliciumcarbid (SiC) im Sinterverbund kann beispielsweise 1 % bis 70 %, insbesondere 2,5 % bis 60 %, insbesondere 5 % bis 50 % betragen.
  • Die Temperatur eines beispielsweise heißen und schnellströmenden Gases wird folglich durch einen kleinen keramischen Körper aufgenommen und in abzustrahlende Infrarotstrahlung umgesetzt. Der schwarze Keramikkörper besteht aus beispielsweise gesintertem Material mit der beschriebenen Zusammensetzung. Mit anderen Worten stellt die Glaskeramik einen Verbund aus Quarzglas und z.B. Silicium-Partikeln dar. Die Partikel, wie z.B. Silicium und/oder Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid weisen vorzugsweise eine Größe von 1 µm bis 10 µm auf.
  • Der schwarze Keramikkörper ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine Erhitzung bzw. eine Erwärmung des schwarzen Keramikkörpers im in Frage kommenden Temperaturbereich möglichst rasch vollzogen wird. Eine Ansprechzeit bzw. Reaktionszeit für die 63 %-Zeit beträgt für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperaturmessung beispielsweise weniger als 100 Millisekunden. Um eine derartig schnelle Ansprechzeit zu realisieren, ist der schwarze Keramikkörper vorzugsweise hinsichtlich der wärmetechnischen, strömungs- und strahlungstechnischen Eigenschaften optimiert. Da die Masse des schwarzen Keramikkörpers relativ gering ist und zusätzlich von dem Lichtwellenleiter beabstandet angeordnet ist, kann eine ultraschnelle Temperaturmessung durchgeführt werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturmessung können schnelle Temperaturwechsel erfasst werden.
  • Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der schwarze Keramikkörper porös ausgebildet ist. Vorzugsweise besitzt der schwarze Keramikkörper eine höchstmögliche Porosität zur Reduzierung der beteiligten Masse. Der schwarze Keramikkörper kann vorzugsweise eine möglichst geringe thermische Masse aufweisen, die dadurch erreicht wird, dass der schwarze Keramikkörper lediglich einen geringfügig größeren Durchmesser hat als der Lichtwellenleiter. Vorzugsweise weist der schwarze Keramikkörper einen Durchmesser auf, der lediglich Bruchteile von 1 mm größer als der Durchmesser der Lichtleitfaser bzw. des Lichtwellenleiters ist. Vorzugsweise weist der schwarze Keramikkörper einen Durchmesser von < 1.000 µm, insbesondere < 750 µm, insbesondere < 500 µm, auf.
  • Der schwarze Keramikkörper ist erfindungsgemäßlinsenförmig ausgebildet. Des Weiteren ist es denkbar, dass der schwarze Keramikkörper eine konkave Form aufweist, die vorzugsweise zum ersten Ende des Lichtwellenleiters hin orientiert ist.
  • Um eine maximale Emission bzw. einen möglichst hohen Emissionsgrad der thermischen Energie im Zusammenhang mit dem schwarzen Keramikkörper zu erzielen, weist der schwarze Keramikkörper optisch absorbierende Dotanden, wie z.B. Silicium und/oder Carbon und/oder Siliciumcarbid in der sonst artgleichen Siliciumdioxid-Matrix auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kapillare und der Lichtwellenleiter aus einem Basismaterial, vorzugsweise aus gleichem Basismaterial, gebildet, wobei dieses Siliciumdioxid (SiO2) aufweist.
  • Um den Lichtwellenleiter bzw. die Lichtleitfaser wärmetechnisch bestmöglich zu entkoppeln ist der Lichtwellenleiter vom schwarzen Keramikkörper beabstandet angeordnet. Die zur Herstellung des Abstandes bzw. der Distanz zwischen dem schwarzen Keramikkörper und dem Lichtwellenleiter ausgebildete Kapillare bzw. ein Stützrohr, weist vorzugsweise den gleichen Werkstoff bzw. das gleiche Basismaterial wie das Material des Lichtwellenleiters bzw. der Lichtleitfaser auf.
  • Die Kapillare hat einen Durchmesser, der lediglich geringfügig größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters ist. Vorzugsweise weist die Kapillare einen Durchmesser von 150 - 250 µm, insbesondere 175 - 225 µm, insbesondere 200 µm, auf. Die Wandstärke der Kapillare bzw. die Wandstärke des Stützrohrs kann beispielsweise 10 µm - 200 µm, insbesondere 25 µm - 100 µm, insbesondere 50 µm, betragen.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturmessung besteht darin, dass alle Bauteile der Vorrichtung, nämlich der schwarze Keramikkörper, der Lichtwellenleiter sowie die Kapillare vorzugsweise aus dem gleichen Basismaterial gebildet sind. Bei dem Basismaterial handelt es sich beispielsweise um Quarzglas. Da alle Elemente bzw. Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus dem gleichen Material, nämlich Siliciumdioxid (SiO2) bestehen bzw. zumindest dieses Material aufweisen, weisen diese Bauteile bzw.
  • Elemente einen übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Mechanische Probleme durch Ausdehnungsfehlanpassungen werden aufgrund dieser Auswahl der Materialien größtenteils vermieden.
  • Bei einer vorzunehmenden Temperaturmessung wird die von dem schwarzen Keramikkörper abgestrahlte bzw. ausgesendete Infrarotstrahlung an den Lichtwellenleiter, insbesondere an eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters weitergeleitet. Mit anderen Worten strahlt der schwarze Keramikkörper mit Infrarotstrahlung in die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters hinein, wobei dies vorzugsweise mit einer Abstrahlcharakteristik eines nahezu idealen schwarzen Körpers erfolgt.
  • Der Kern des Lichtwellenleiters besteht aus, insbesondere synthetischem, Quarzglas bzw. synthetischem Siliciumdioxid (SiO2) mit einem ersten Brechungsindex n1 und einem OH-Gehalt von < 2,0 ppm, insbesondere < 1,5 ppm, insbesondere < 1,0 ppm.
  • Die Abkürzung ppm steht hierbei für den englischen Ausdruck „parts per million“ und steht für die Zahl 10-6, also zu Deutsch dem millionsten Teil.
  • Des Weiteren weist der Lichtwellenleiter eine Umhüllung aus, insbesondere synthetischem, Quarzglas bzw. Siliciumdioxid (SiO2) mit einem zweiten Brechungsindex n2 auf, wobei der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste Brechungsindex n1 ist.
  • Vorzugsweise ist die Umhüllung aus Quarzglas bzw. Siliciumdioxid (SiO2) mit Fluor dotiert. Mit anderen Worten wird die Absenkung des Brechungsindex bzw. die Brechzahlabsenkung der Umhüllung durch eine Fluor-Dotierung realisiert. Vorzugsweise ist der Unterschied der beiden Brechungsindizes n1 und n2 möglichst groß, so dass ein großer Anteil der von dem schwarzen Keramikkörper ausgesendeten Infrarotstrahlung zu einem Detektor mittels Weiterleitung über den Lichtwellenleiter geführt werden kann.
  • Die numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters, also das Vermögen des Lichtwellenleiters, Licht zu fokussieren, ist vorzugsweise > 0,15, insbesondere > 0,20, insbesondere 0,22. Die numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters kann beispielsweise bis zu einem Wert von 0,28 realisiert werden.
  • Der Lichtwellenleiter kann zusätzlich eine erste Kunststoffschicht, insbesondere ein Coating (Beschichtung) aus Acrylat oder Silicon und/oder Polyimid (PI) aufweisen. Eine derartige erste Kunststoffschicht in Form eines Coatings kann die mechanische Belastbarkeit, z.B. beim Biegen des Lichtwellenleiters erhöhen. Außerdem wird der Lichtwellenleiter aufgrund der ersten Kunststoffschicht vor äußeren Einflüssen, z.B. vor Feuchtigkeit geschützt. Die erste Kunststoffschicht kann als Kunststoff-Beschichtung und/oder Kunststoff-Umhüllung ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, den Lichtwellenleiter anstelle der ersten Kunststoffschicht mit einer ersten Metallschicht auszubilden. Die erste Metallschicht kann als Metall-Beschichtung und/oder Metall-Umhüllung ausgebildet sein.
  • Optional kann der Lichtwellenleiter eine zweite Kunststoffschicht bzw. eine weitere Kunststoffschicht, die auf der ersten Kunststoffschicht aufgetragen bzw. aufgebracht ist, aufweisen. Bei einer derartigen zweiten Kunststoffschicht handelt es sich beispielsweise um ein sogenanntes Buffering (Schutzmaterialschicht). Bei der zweiten Kunststoffschicht kann es sich beispielsweise um Tefcel und/oder Polyimid (PI) handeln.
  • Durch eine derartige zweite Kunststoffschicht können die mechanischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters bzw. des aufgrund der Beschichtung gebildeten Faserkabels weiter optimiert sein. Die zweite Kunststoffschicht kann als Kunststoff-Beschichtung und/oder Kunststoff-Umhüllung ausgebildet sein. Sowohl die erste Kunststoffschicht als auch die zweite Kunststoffschicht sind vorzugsweise für die im Einsatzbereich vorherrschenden Temperaturen optimiert. Die Temperaturbeständigkeit der ersten und/oder zweiten Kunststoffschicht beträgt vorzugweise ≥ 150 °C.
  • Erfindungsgemäß deckt der schwarze Keramikkörper das zum schwarzen Keramikkörper weisende erste Ende der Kapillare ab. Des Weiteren ist es denkbar, dass der schwarze Keramikkörper das vordere bzw. das zum schwarzen Keramikkörper weisende erste Ende der Kapillare umschließt.
  • Im Überlappungsbereich mit der Kapillare ist der Lichtwellenleiter vorzugsweise abisoliert und weist in diesem Überlappungsbereich keine erste und/oder zweite Kunststoffschicht auf. Mit anderen Worten ist der Lichtwellenleiter im Überlappungsbereich vom Coating aus Acrylat, Silicon oder Polyimid und vom Buffering aus Tefcel und/oder Polyimid befreit.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung, insbesondere zur Temperaturmessung eines strömenden Gases.
  • Die Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung eines strömenden Gases umfasst einen schwarzen Keramikkörper 20 zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter 15 zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper 20 ausgesendeten Infrarotstrahlung, wobei das dem Keramikkörper 20 zugewandte erste Ende 16 des Lichtwellenleiters 15 durch eine Kapillare 30 vom Keramikkörper 20 beabstandet angeordnet ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann vorteilhaft im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden bzw. dort Anwendung finden. Eine Temperaturmessung im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise sehr schnell durchzuführen, um einerseits Bauteile, wie den Turbolader vor Überhitzung zu schützen und andererseits heiße, vom jeweiligen Zylinder abgegebene Abgasvolumina zu detektieren und ggf. mit anderen abgegebenen Abgasvolumina zu vergleichen.
  • Der schwarze Keramikkörper 20 besteht vorzugsweise aus einem gesinterten Material. Mit anderen Worten besteht der schwarze Keramikkörper 20 aus einem Sinterverbund aus amorphem Siliciumdioxid (SiO2) mit Silicium (Si) und/oder mit Kohlenstoff (C) und/oder mit Siliciumcarbid (SiC). Der Anteil von Silicium und/oder Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid im Sinterverbund beträgt vorzugsweise 5 % - 50 %.
  • Der schwarze Keramikkörper 20 ist des Weiteren porös ausgebildet. Die vom Lichtwellenleiter 15 abgewandte Oberfläche 21 des schwarzen Keramikkörpers 20 ist glatt ausgebildet mit einer gemittelten Rautiefe RZ < 10 µm. Aufgrund des niedrigen Rz-Wertes von < 10 µm wird ein hoher Strömungswiderstand des schwarzen Keramikkörpers 20 bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang erzielt.
  • Der schwarze Keramikkörper 20 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Linsenform auf, wobei die Linsenform nach außen, also in Richtung des nichtdargestellten Abgasstrangs ausgebildet ist. Mittels der Kapillare 30 ist der Lichtwellenleiter 15 in einem Abstand a vom schwarzen Keramikkörper 20 distanziert angeordnet. Dieser Abstand a beträgt vorzugsweise 100 µm.
  • Da der Lichtwellenleiter 15 in dem Abstand a von dem schwarzen Keramikkörper 20 angeordnet ist, ist sein Sichtfeld größer als der Durchmesser d des Lichtwellenleiterkerns. Der schwarze Keramikkörper 20 weist einen Durchmesser D von < 500 µm auf und ist größer als der Durchmesser d des Lichtwellenleiters 15. Hierdurch wird erreicht, dass ausschließlich Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung des schwarzen Keramikkörpers 20 in den Lichtwellenleiter 15 fällt und von diesem weitergeleitet wird, wodurch Fehler bei der genauen Messung der Temperatur verhindert werden.
  • Aufgrund der Anordnung des schwarzen Keramikkörpers 20 nimmt der schwarze Keramikkörper 20 weitgehend die Temperatur des heißen, schnellströmenden Gases an. Der schwarze Keramikkörper 20 emittiert dann Infrarotstrahlung entsprechend der angenommenen bzw. aufgenommenen Temperatur, wobei die Infrarot- bzw. Wärmestrahlung von dem Lichtwellenleiter 15 aufgenommen und an einen (nicht dargestellten) Detektor weitergeleitet wird.
  • Die Kapillare 30 und der Lichtwellenleiter 15 weisen das gleiche Basismaterial, nämlich Siliciumdioxid (SiO2) auf. Da alle Bauteile, nämlich der schwarze Keramikkörper 20, die Kapillare 30 und der Lichtwellenleiter 15 übereinstimmendes Basismaterial aufweisen bzw. aus dem gleichen Material bestehen, vorzugsweise Quarzglas, besitzen diese denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Mechanische Probleme, die durch Ausdehnungsfehlanpassungen vor allem im dynamischen Fall bei hoher Temperaturwechselbelastung auftreten, werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weitestgehend vermieden.
  • Der schwarze Keramikkörper 20 liegt im dargestellten Beispiel auf der Kapillare 30 auf. Der schwarze Keramikkörper 20 deckt somit das zum schwarzen Keramikkörper 20 weisende erste Ende 31 der Kapillare 30, bzw. die Wand der Kapillare 30 ab. Der Durchmesser D des schwarzen Keramikkörpers 20 beträgt im vorliegenden Fall weniger als 500 µm. Die Kapillare 30 hat einen Innendurchmesser, der wenig größer als der Faserdurchmesser d ist. Der Faserdurchmesser d beträgt beispielsweise 200 µm. Die Kapillare 30 hat im vorliegenden Fall eine Wandstärke b von 50 µm.
  • Der nicht weiter dargestellte Kern des Lichtwellenleiters 15 besteht aus synthetischem Quarzglas, nämlich synthetischem Siliciumdioxid (SiO2) mit einem ersten Brechungsindex n1 und einem OH-Gehalt von < 1,0 ppm. Des Weiteren weist der Lichtwellenleiter 15 eine (nicht dargestellte) Umhüllung aus synthetischem Quarzglas, nämlich synthetischem Siliciumdioxid mit einem zweiten Brechungsindex n2 auf, wobei der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die Umhüllung aus synthetischem Quarzglas ist mit Fluor dotiert. Der Unterschied der beiden Brechungsindizes und damit die numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters ist möglichst groß ausgebildet. Vorzugsweise weist der Lichtwellenleiter 15 eine numerische Apertur NA größer als 0,2 auf.
  • Aufgrund dessen kann ein großer Anteil der von dem schwarzen Keramikkörper 20 abgestrahlten Infrarotstrahlung mittels des Lichtwellenleiters 15 zu einem nicht dargestellten Detektor geführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung basiert zusammenfassend auf dem schwarzen Keramikkörper 20, dessen Abstrahlungsleistung mittels des Lichtwellenleiters 15 durch einen Interferenzfilter an einem Detektor nachgewiesen wird.
  • Im Überlappungsbereich 32 wird die Kapillare 30 auf den abisolierten Lichtwellenleiter 15 mit einem Abstand von vorzugsweise 100 µm aufgeschoben.
  • Das Abisolieren betrifft ein optionales Kunststoff-Coating 17 sowie ein optionales Buffering 18. Der Lichtwellenleiter 15 kann eine erste Kunststoffschicht 17, insbesondere ein Coating aus Acrylat und/oder Silicon und/oder Polyimid, aufweisen. Des Weiteren ist es denkbar, dass der Lichtwellenleiter 15 eine zweite Kunststoffschicht 18, insbesondere ein Buffering aus Tefcel und/oder Polyimid, aufweist. Diese beiden optionalen Kunststoffschichten 17 und 18 sind im Überlappungsbereich 32 mit der Kapillare 30 nicht vorgesehen bzw. nicht ausgebildet.
  • Die erste Kunststoffschicht 17 bzw. das Coating kann die mechanische Belastbarkeit, z.B. beim Biegen des Lichtwellenleiters erhöhen. Des Weiteren wird der Lichtwellenleiter 15 aufgrund des Coatings 17 vor äußeren Einflüssen, z.B. vor Feuchtigkeit, geschützt. Um die mechanischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters 15 weiter zu optimieren, kann dieser Lichtwellenleiter 15 eine zweite Kunststoffschicht 18, nämlich ein Buffering aufweisen. Vorzugsweise sind die optionalen Kunststoffschichten, also die erste 17 und/oder die zweite Kunststoffschicht 18 für die im Einsatzbereich vorherrschenden Temperaturen optimiert. Die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Kunststoffe ist vorzugsweise ≥ 150 °C.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird eine Temperaturmessvorrichtung angegeben, mit deren Hilfe ultraschnelle Temperaturmessungen durchgeführt werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    15
    Lichtwellenleiter
    16
    erstes Ende des Lichtwellenleiters
    17
    erste Kunststoffschicht
    18
    zweite Kunststoffschicht
    20
    schwarzer Keramikkörper
    21
    Oberfläche schwarzer Keramikkörper
    30
    Kapillare
    31
    erstes Ende Kapillare
    32
    Überlappungsbereich
    a
    Abstand
    b
    Wandstärke
    D
    Durchmesser schwarzer Keramikkörper
    d
    Durchmesser Lichtwellenleiter

Claims (12)

  1. Vorrichtung (10) zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, umfassend mindestens einen schwarzen Keramikkörper (20) zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter (15) zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper (20) ausgesendeten Infrarotstrahlung an einen Detektor, wobei ein dem schwarzen Keramikkörper (20) zugewandtes erstes Ende (16) des Lichtwellenleiters (15) durch eine Kapillare (30) vom schwarzen Keramikkörper (20) beabstandet angeordnet ist und der schwarze Keramikkörper (20) die ausgesandte Infrarotstrahlung in eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters (15) hineinstrahlt, wobei der schwarze Keramikkörper (20) optisch absorbierende Dotanden, insbesondere Silicium und/oder Carbon und/oder Siliciumcarbid, aufweist, wobei der schwarze Keramikkörper (20) porös und linsenförmig ausgebildet ist und ein zum schwarzen Keramikkörper (20) weisendes erstes Ende (31) der Kapillare (30) abdeckt.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schwarze Keramikkörper (20) aus einem Sinterverbund aus amorphem Siliciumdioxid mit Silicium und/oder mit Kohlenstoff und/oder mit Siliciumcarbid, besteht.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von Silicium und/oder Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid im Sinterverbund 1 % - 70 %, insbesondere 2,5 % - 60 %, insbesondere 5 % - 50 %, beträgt.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der schwarze Keramikkörper (20) eine konkave Form, die vorzugsweise zum ersten Ende (16) des Lichtwellenleiters (15) hin orientiert ist, aufweist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (30) und der Lichtwellenleiter (15) aus einem Basismaterial gebildet sind, das Siliciumdioxid aufweist.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern des Lichtwellenleiters (15) aus, insbesondere synthetischem, Quarzglas mit einem ersten Brechungsindex n1 und einem OH-Gehalt von < 2,0 ppm, insbesondere < 1,5 ppm, insbesondere < 1,0 ppm, besteht.
  7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (15) eine Umhüllung aus, insbesondere synthetischem, Quarzglas mit einem zweiten Brechungsindex n2 aufweist, wobei der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste Brechungsindex n1 ist.
  8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkung des zweiten Brechungsindex n2 der Umhüllung durch eine Fluor-Dotierung realisiert ist.
  9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine numerische Apertur NA der Lichtwellenleiter (15) > 0,15, insbesondere > 0,20, insbesondere 0,22, ist.
  10. Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (15) eine erste Kunststoffschicht (17), insbesondere eine Beschichtung aus Acrylat oder Silikon oder Polyimid, aufweist.
  11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (15) eine zweite Kunststoffschicht (18), insbesondere eine Schutzmaterialschicht aus Tefcel und/oder Polyimid, aufweist.
  12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (16) in einem Überlappungsbereich (32) mit der Kapillare (30) abisoliert ist und in dem Überlappungsbereich (32) keine erste (17) und/oder zweite (18) Kunststoffschicht aufweist.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108844656B (zh) * 2018-08-02 2019-07-09 华中科技大学 一种光纤温度传感探头及解调方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59225321A (ja) 1983-06-07 1984-12-18 Sumitomo Electric Ind Ltd 光フアイバ−型放射温度計
DE3050498C2 (de) 1980-07-31 1990-05-17 Institut Problem Lit'ja Akademii Nauk Ukrainskoj Ssr, Kiew/Kiev, Su
US5277496A (en) 1990-10-17 1994-01-11 Ametek, Inc. High temperature optical probe
US5364186A (en) 1992-04-28 1994-11-15 Luxtron Corporation Apparatus and method for monitoring a temperature using a thermally fused composite ceramic blackbody temperature probe
DE102008022571A1 (de) 2008-05-07 2010-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturmessung an Teilen einer Strömungsmaschine
DE102012201501A9 (de) 2012-02-02 2013-10-10 Ignatios Giannelis Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Schmelze

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2045921A (en) * 1979-02-15 1980-11-05 Plessey Co Ltd Improvements relating to the measurement of temperature
US5164999A (en) * 1991-05-20 1992-11-17 Johnson Matthey, Inc. Blackbody fired on silica fiber

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3050498C2 (de) 1980-07-31 1990-05-17 Institut Problem Lit'ja Akademii Nauk Ukrainskoj Ssr, Kiew/Kiev, Su
JPS59225321A (ja) 1983-06-07 1984-12-18 Sumitomo Electric Ind Ltd 光フアイバ−型放射温度計
US5277496A (en) 1990-10-17 1994-01-11 Ametek, Inc. High temperature optical probe
US5364186A (en) 1992-04-28 1994-11-15 Luxtron Corporation Apparatus and method for monitoring a temperature using a thermally fused composite ceramic blackbody temperature probe
DE102008022571A1 (de) 2008-05-07 2010-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturmessung an Teilen einer Strömungsmaschine
DE102012201501A9 (de) 2012-02-02 2013-10-10 Ignatios Giannelis Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Schmelze

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