DE102015115928A1

DE102015115928A1 - Faseroptischer Temperatursensor und Herstellungsverfahren für einen faseroptischen Temperatursensor

Info

Publication number: DE102015115928A1
Application number: DE102015115928.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: Vc Viii Polytech Holding Aps Dk
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: DE102015115928B4

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen faseroptischen Temperatursensor (100), umfassend eine Trägerstruktur (110) mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1), einen mit einer Sensorstruktur (122) ausgebildeten Lichtwellenleiter (120), und eine Halterung (130) für den Lichtwellenleiter (120), die an zumindest zwei ersten Punkten (140) mit der Trägerstruktur (110) verbunden ist, wobei die zumindest zwei ersten Punkte (140) einen ersten Abstand (L1) aufweisen. Der Lichtwellenleiter (120) ist an zumindest zwei zweiten Punkten (150) mit der Halterung (130) verbunden, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte (150) einen zweiten Abstand (L2) aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand (L2) vom ersten Abstand (L1) unterscheidet.

Description

Die Offenbarung betrifft einen faseroptischen Temperatursensor und ein Herstellungsverfahren für einen faseroptischen Temperatursensor, insbesondere einen faseroptischen Temperatursensor mit einem Faser-Bragg-Gitter.
Stand der Technik
Faseroptische Temperatursensoren verwenden Bragg-Gitter als optische Interferenzfilter, das in eine Glasfaser eingeschrieben ist. Diese Bragg-Gitter reflektieren bestimmte Lichtwellenlängen. Die Bragg-Reflexionswellenlänge ist dabei von einer Temperatur der Glasfaser und einer Dehnung der Glasfaser abhängig. Die Glasfaser kann beispielsweise an einer Halterung befestigt sein, wobei durch eine Temperaturänderung ein mechanischer Druck auf die Glasfaser erzeugt werden kann. Dieser mechanische Druck kann eine definierte Änderung des Bragg-Gitters bewirken. Eine durch die Änderung des Bragg-Gitters bewirke Verschiebung der Bragg-Reflexionswellenlänge ist ein Maß für die Temperaturänderung.
Faseroptische Temperatursensoren können in der Temperaturüberwachung beispielsweise von energietechnischen Anlagen verwendet werden. Bekannte faseroptische Temperatursensoren weisen Nachteile dahingehend auf, dass ihre Empfindlichkeit und/oder ein Temperaturbereich, der gemessen werden kann, begrenzt sind.
Daher ist es eine Bedürfnis, einen faseroptischen Temperatursensor und ein Herstellungsverfahren für einen faseroptischen Temperatursensor weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen faseroptischen Temperatursensor mit einer verbesserten Empfindlichkeit bereitzustellen. Weiter kann es alternativ eine Aufgabe der Offenbarung sein, einen faseroptischen Temperatursensor mit einem vergrößerten Temperaturmessbereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein faseroptischer Temperatursensor angegeben. Der faseroptische Temperatursensor beinhaltet eine Trägerstruktur mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen mit einer Sensorstruktur ausgebildeten Lichtwellenleiter; und eine Halterung für den Lichtwellenleiter, die an zumindest zwei ersten Punkten mit der Trägerstruktur verbunden ist, wobei die zumindest zwei ersten Punkte einen ersten Abstand aufweisen. Der Lichtwellenleiter ist an zumindest zwei zweiten Punkten mit der Halterung verbunden, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte einen zweiten Abstand aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand vom ersten Abstand unterscheidet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Temperatursensors, und insbesondere eines faseroptischen Temperatursensors gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen, angegeben. Das Verfahren beinhaltet ein Befestigen einer Halterung für einen Lichtwellenleiter an einer Trägerstruktur an zumindest zwei ersten Punkten, wobei die zumindest zwei ersten Punkte einen ersten Abstand aufweisen, und ein Befestigen des Lichtwellenleiters an der Halterung an zumindest zwei zweiten Punkten, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte einen zweiten Abstand aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand vom ersten Abstand unterscheidet.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Der faseroptische Temperatursensor gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen weist eine Trägerstruktur und eine damit verbundene Halterung für den Lichtwellenleiter auf. Bei einer Temperaturänderung werden der Lichtwellenleiter und die Sensorstruktur gedehnt. Wenn sich die Abmessung des Körpers vergrößert, spricht man von einer positiven Dehnung (Streckung), andernfalls von einer negativen Dehnung oder Stauchung. Diese Dehnung wird insbesondere durch den ersten Abstand und den zweiten Abstand, die unterschiedlich sind, bewirkt. Durch die Verbindung der Halterung mit der Trägerstruktur an den ersten Punkten und durch die Verbindung des Lichtwellenleiters mit der Halterung an den zweiten Punkten wird eine hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung zur Verfügung gestellt, wobei die Verstärkung unter anderem durch das Verhältnis aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand bestimmt wird, bereitgestellt.
Die mechanische Dehnung des Lichtwellenleiters kann durch die hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung verstärkt werden. Durch diese Verstärkung kann beispielsweise eine Messauflösung des faseroptischen Temperatursensors erhöht werden. Zudem können durch die Wahl des ersten Abstands und/oder des zweiten Abstands die Messauflösung und/oder ein Temperaturmessbereich des faseroptischen Temperatursensors eingestellt werden. Insbesondere können die Verstärkung und/oder die Einstellung der Messauflösung und des Temperaturmessbereichs unabhängig von den Ausdehnungskoeffizienten der Materialien beispielswiese der Trägerstruktur und der Halterung erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
3 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines faseroptischen Temperatursensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Der faseroptischer Temperatursensor 100 beinhaltet eine Trägerstruktur 110 mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen mit einer Sensorstruktur 122 ausgebildeten Lichtwellenleiter 120, und eine Halterung 130 für den Lichtwellenleiter 120. Die Halterung 130 ist an zumindest zwei ersten Punkten 140 mit der Trägerstruktur 110 verbunden. Die zumindest zwei ersten Punkte 140 weisen einen ersten Abstand L1 auf. Der Lichtwellenleiter 120 ist an zumindest zwei zweiten Punkten 150 mit der Halterung 130 verbunden. Die zumindest zwei zweiten Punkte 150 weisen einen zweiten Abstand L2 auf. Der zweite Abstand L2 und der erste Abstand L1 unterscheiden sich.
Bei einer Temperaturänderung werden der Lichtwellenleiter 120 und die Sensorstruktur 122, die gemäß Ausführungsformen ein Bragg-Gitter oder ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) sein kann, mechanisch gedehnt. Die mechanische Dehnung wird einerseits durch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur 110 und der Halterung 130 bewirkt. Beispielswiese kann die Trägerstruktur 110 den ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Halterung 130 kann einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschieden ist. Andererseits kann die Dehnung durch den ersten Abstand L1 und den zweiten Abstand L2, die unterschiedlich sind, bewirkt oder verstärkt werden. Insbesondere wird durch die Verbindung der Halterung 130 mit der Trägerstruktur 110 an den ersten Punkten 140 und durch die Verbindung des Lichtwellenleiters 120 mit der Halterung 130 an den zweiten Punkten 150 eine hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung, wobei die Verstärkung unter anderem durch das Verhältnis aus dem ersten Abstand L1 und dem zweiten Abstand L2 bestimmt wird, bereitgestellt. Die Dehnung (Streckung oder Stauchung) des Lichtwellenleiters 120 kann durch die hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung verstärkt werden.
Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen kann eine Verstärkung als hebelfrei zur Verfügung gestellt werden, d.h. unabhängig von einem starren, um eine Achse drehbaren Körper. Die mechanische Verstärkung gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen ist nicht durch eine Rotation bedingt. Das Prinzip der mechanischen Verstärkung, beruht auf einer starren (d.h. rotationsfreien) Befestigung der Halterung mit der Trägerstruktur.
Durch die Verstärkung der mechanischen Dehnung durch die hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung kann eine Messauflösung des faseroptischen Temperatursensors 100 erhöht werden. Zudem kann durch die Wahl des ersten Abstands L1 und des zweiten Abstands L2 die Messauflösung bzw. durch die Wahl des Verhältnisses L1 zu L2 ein Temperaturmessbereich des faseroptischen Temperatursensors 100 eingestellt werden. Insbesondere können die Messauflösung und/oder der Temperaturmessbereich unabhängig von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur 110 und der Halterung 130 erfolgen.
Die Bragg-Reflexionswellenlänge λ ist von einer Temperatur des Lichtwellenleiters 120 abhängig. Eine durch eine Änderung (z.B. Dehnung/Streckung oder Stauchung) des Bragg-Gitters bewirke Verschiebung der Bragg-Reflexionswellenlänge ist ein
Maß für die Temperaturänderung: Δλ / λ = k·Δt
Die Konstante k ist abhängig von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur 110 (erster thermischer Ausdehnungskoeffizient α1) und der Halterung 130 (zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient α2), dem ersten Abstand L1 und
dem zweiten Abstand L2: k = k(α1, α2, L1, L2)
Die Konstante k kann durch eine Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten einen positiven oder einen negativen Wert annehmen.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der erste thermische Ausdehnungskoeffizient α1 wenigstens 10∙10^–6 K^–1, und vorzugsweise wenigstens 20∙10^–6 K^–1. Beispielsweise kann der erste thermische Ausdehnungskoeffizient α1 in einem Bereich von 10∙10^–6 K^–1 bis 100∙10^–6 K^–1, vorzugsweise in einem Bereich von 10∙10^–6 K^–1 bis 50∙10^–6 K^–1, und insbesondere in einem Bereich von 5∙10^–6 K^–1 bis 30∙10^–6 K^–1. In einer Ausführungsform kann die Trägerstruktur 110 aus Aluminium bestehen, wobei der erste thermische Ausdehnungskoeffizient α1 etwa 23∙10^–6 K^–1 sein kann. In einer anderen Ausführungsform kann die Trägerstruktur 110 aus Glas bestehen.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient α2 kleiner als 10∙10^–6 K^–1, und vorzugsweise kleiner als 1∙10^–6 K^–1. Beispielsweise kann der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient α2 in einem Bereich von etwa 0 bis 10∙10^–6 K^–1, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1∙10^–8 K^–1 bis 1∙10^–6 K^–1. Insbesondere kann der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient α2 annähernd Null sein. In einigen Ausführungsformen kann der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient α2 weniger als 10%, weniger als 1%, oder weniger als 0.1% vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1 sein. Anders gesagt kann der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient α2 gegenüber dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1 vernachlässigbar klein sein.
Eine Dehnung (Streckung oder Stauchung) des Lichtwellenleiters bei einer Temperaturänderung ist proportional zu einem Verhältnis des ersten Abstands L1 zum zweiten Abstand L2 sein. Das Verhältnis kann in einem Bereich von –15 bis +15, vorzugsweise in einem Bereich von –10 bis +10, und insbesondere in einem Bereich von –5 bis +5 sein. Die Begriffe „Dehnung“, “Streckung“ oder „Stauchung“ beziehen sich auf eine Bewegung in Richtung der Längserstreckung des Lichtwellenleiters 120. Die Begriffe „Dehnung“, “Streckung“ oder „Stauchung“ sollen dabei insbesondere von einer Biegung des Lichtwellenleiters 120 unterscheiden, die im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Lichtwellenleiters 120 ist.
Der erste Abstand L1 kann gemäß Ausführungsformen größer als der zweite Abstand L2 sein. Anders gesagt kann das Verhältnis des ersten Abstands L1 zum zweiten Abstand L2 größer als Eins sein. Dadurch kann die Messauflösung des faseroptischen Temperatursensors erhöht werden, da eine kleine Temperaturänderung zu einer stärkeren, und damit (besser) messbaren, Streckung oder Stauchung des Lichtwellenleiters 120 führt. Beispielsweise kann der erste Abstand L1 wenigstens das Zweifache, wenigstens das Fünffache, oder wenigstens das Zehnfache des zweiten Abstands L2 sein.
In anderen Ausführungsformen kann der erste Abstand L1 kleiner als der zweite Abstand L2 sein („negative Verstärkung“). Anders gesagt kann das Verhältnis des ersten Abstands L1 zum zweiten Abstand L2 kleiner als Eins sein. Dadurch kann ein Temperaturmessbereich des faseroptischen Temperatursensors 100 erhöht werden, da eine große Temperaturänderung zu einer weniger starken Dehnung oder Stauchung des Lichtwellenleiters 120 führt.
Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der erste Abstand L1 in einem Bereich von 1 bis 100 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 50 mm, und insbesondere in einem Bereich von 5 bis 40 mm. Der zweite Abstand L2 kann in einem Bereich von 1 bis 100 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 50 mm, und insbesondere in einem Bereich von 8 bis 50 mm sein.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Halterung 130 einen ersten Vorsprung 132 und einen zweiten Vorsprung 134 auf, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Der erste Vorsprung 132 und der zweite Vorsprung können sich im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung des Lichtwellenleiters 120 erstrecken. Der Lichtwellenleiter 120 ist mit dem ersten Vorsprung 132 und dem zweiten Vorsprung 134 verbunden. Beispielsweise können der erste Vorsprung 132 und der zweite Vorsprung 134 jeweils ein Ende aufweisen, die einander gegenüberliegen, wobei zumindest ein Teil des Lichtwellenleiters 120 und insbesondere die Sensorstruktur 122 in einem Bereich zwischen den sich gegenüberliegenden Enden angeordnet sein kann. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter 120 mit den sich gegenüberliegenden Enden des ersten Vorsprungs 132 und des zweiten Vorsprungs 134 verbunden sein. Anders gesagt können die sich gegenüberliegenden Enden des ersten Vorsprungs 132 und des zweiten Vorsprungs 134 die zumindest zwei zweiten Punkte 150 breitstellen.
In einigen Ausführungsformen können der erste Vorsprung 132 und der zweite Vorsprung 134 die zumindest zwei zweiten Punkte 150 bereitstellen, an denen der Lichtwellenleiter 120 mit der Halterung 130 verbunden ist. Beispielsweise kann der erste Vorsprung 132 einen zweiten Punkt der zumindest zwei zweiten Punkte 150 bereitstellen und der zweite Vorsprung 134 kann einen anderen zweiten Punkt der zumindest zwei zweiten Punkte 150 bereitstellen. Typischerweise kann ein Abstand zwischen dem ersten Vorsprung 132 und dem zweiten Vorsprung 134 kleiner oder gleich dem zweiten Abstand L2 sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Halterung zwei L-Förmige Element aufweisen. Ein erster Schenkel eines jeden L-Förmigen Elements kann an den zumindest zwei ersten Punkten 140 mit der Trägerstruktur 110 verbunden sein. Ein zweiter Schenkel eines jeden L-Förmigen Elements kann an den zumindest zwei zweiten Punkten 150 mit dem Lichtwellenleiter 120 verbunden sein. Beispielsweise können die zweiten Schenkel den ersten Vorsprung 132 und den zweiten Vorsprung 134 bereitstellen oder bilden. Der erste Schenkel kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längserstreckung des Lichtwellenleiters 120 erstrecken und/oder der zweite Schenkel kann sich im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Lichtwellenleiters 120 erstrecken.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Trägerstruktur 110 eine Platte sein. In anderen Ausführungsformen kann die Trägerstruktur 110 rohrförmig ausgebildet sein, wie es unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert ist.
Die zumindest zwei ersten Punkte 140 und die zumindest zwei zweiten Punkte 150 geben eine Position oder einen Bereich an, an denen die Trägerstruktur 110 und die Halterung 130 bzw. der Lichtwellenleiter 120 und die Halterung 130 miteinander verbunden sind. Die zumindest zwei ersten Punkte können an verschiedenen Positionen der Trägerstruktur 110 angeordnet sein, wie es durch die Bezugszeichen 140 und 142 für die zumindest zwei ersten Punkte gezeigt ist. Die zumindest zwei zweiten Punkte können an verschiedenen Positionen der Halterung 130 angeordnet sein, wie es durch die Bezugszeichen 150, 152 und 154 für die zumindest zwei zweiten Punkte gezeigt ist.
Der Begriff „Punkt“ soll nicht in einem idealisierten Sinne, also als ein Punkt ohne räumliche Ausdehnung verstanden werden, sondern als ein räumlich ausgedehnter Verbindungsbereich, an dem eine Verbindung zwischen der Trägerstruktur 110 und der Halterung 130 bzw. der Lichtwellenleiter 120 und der Halterung 130 besteht. Der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2 können zwischen den Mitten oder Mittelbereichen des räumlich ausgedehnten Verbindungsbereichs definiert werden. Der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2 können alternativ zwischen den kürzesten Abständen der jeweiligen Verbindungsbereiche definiert werden. Die Bezugnahme auf Punkte ergibt sich für den Fachmann sinngemäß anhand der Art und Weise der Befestigung dadurch, welche Verstärkung die hebelfreie Verstärkungsanordnung zur Verfügung stellt.
Gemäß Ausführungsformen kann eine räumliche Ausdehnung des Verbindungsbereichs so groß sein, dass eine ausreichend starke Verbindung zwischen der Trägerstruktur 110 und der Halterung 130 bzw. der Lichtwellenleiter 120 und der Halterung 130 gewährleistet ist. Anders gesagt kann die räumliche Ausdehnung des Verbindungsbereichs minimal gewählt werden.
In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind der Trägerstruktur 110 und die Halterung 130 nur über die zumindest zwei ersten Punkte 140 miteinander verbunden. Anders gesagt ist die einzige feste Verbindung zwischen der Trägerstruktur 110 und der Halterung 130 durch die zumindest zwei ersten Punkte 140 bereitgestellt. Alternativ oder optional sind der Lichtwellenleiter 120 und die Halterung 130 nur über die zumindest zwei zweiten Punkte 150 miteinander verbunden. Anders gesagt ist die einzige feste Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter 120 und der Halterung 130 durch die zumindest zwei zweiten Punkte 150 bereitgestellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors 200 gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen ist die Trägerstruktur 210 als ein Außenrohr zur Verfügung gestellt. Die Halterung 230 kann als zumindest ein Innenrohr zur Verfügung gestellt sein. Das zumindest eine Innenrohr kann innerhalb des Außenrohres angeordnet sein. Typischerweise ist Halterung 230 als zumindest zwei, insbesondere als genau zwei Innenrohre zur Verfügung gestellt. Die zumindest zwei Innenrohre können beispielsweise ein erstes Innenrohr 232 und ein zweites Innenrohr 234 beinhalten. Die zumindest zwei Innenrohre können innerhalb des Außenrohres entlang einer Längserstreckung des Außenrohres voneinander beanstandet angeordnet sein. Der Abstand zwischen den zumindest zwei Innenrohren kann im Wesentlichen dem zweiten Abstand L2 entsprechen.
Gemäß einigen Ausführungsformen können das erste Innenrohr 232 und das zweite Innenrohr 234 jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, wobei die ersten Enden einander gegenüberliegen. Die zweiten Enden können einander nicht gegenüberliegende oder voneinander abgewandte Ende sein. Der zweite Abstand L2 kann zwischen den ersten Enden bereitgestellt oder definiert sein. Der erste Abstand L1 kann zwischen den zweiten Enden bereitgestellt oder definiert sein.
Typischerweise ist der Lichtwellenleiter 120 mit den ersten Enden (den näher beieinander liegenden Enden) des ersten Innenrohres 232 und des zweiten Innenrohres 234 verbunden. Anders gesagt sind die zumindest zwei zweiten Punkte 250 an den ersten Enden des ersten Innenrohres 232 und des zweiten Innenrohres 234 bereitgestellt. Alternativ oder optional ist die Trägerstruktur 110 mit den zweiten Enden (den weiter auseinanderliegenden Enden) des ersten Innenrohres 232 und des zweiten Innenrohres 234 verbunden. Anders gesagt sind die zumindest zwei ersten Punkte 240 an den zweiten Enden des ersten Innenrohres 232 und des zweiten Innenrohres 234 bereitgestellt.
Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet der faseroptische Temperatursensor ein Röhrchen mit einem ersten Temperaturausdehnungskoeffizienten und zwei kurze Röhrchen mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten zur Befestigung des Lichtwellenleiters (beispielsweise eine optische Faser mit einem FBG), die zwischen den beiden kurzen Röhrchen liegt. Bei einer Temperaturänderung werden durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten die optische Faser und das FBG mechanisch gedehnt. Diese Dehnung ist abhängig vom Verhältnis der beiden Ausdehnungskoeffizienten. Zusätzlich wird die Dehnung durch den mechanischen Aspekt der hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung (bestimmt durch das Verhältnis des ersten Abstands L1 zum zweiten Abstand L2) verstärkt. So kann insbesondere die Messauflösung unabhängig von den Ausdehnungskoeffizienten der Materialien erhöht werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Außenrohr ein Glasrohr sein. Das Glasrohr kann die darin angeordneten Komponenten des faseroptischen Temperatursensors, wie das zumindest eine Innenrohr und die Sensorstruktur im Lichtwellenleiter 120 beispielsweise vor einer Beschädigung oder vor Verschmutzung schützen.
Gemäß manchen Implementierungen können der Lichtwellenleiter 120 und/oder die Sensorstruktur 122 an einer Nulllinie (neutralen Faser) angeordnet sein. Der Lichtwellenleiter 120 und/oder die Sensorstruktur 122 bleiben damit bei einer Biegung des faseroptischen Temperatursensors, beispielsweise verursacht durch eine mechanische Belastung beim Montagevorgang des faseroptischen Temperatursensors oder der Nutzung des faseroptischen Temperatursensors, in seiner Länge im Wesentlichen unverändert. Damit ist beispielswiese eine Kalibrierung des faseroptischen Temperatursensors weniger oder gar nicht empfindlich gegenüber einer der Sensorstruktur 122 und daraus resultierend des Lichtwellenleiters 120.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines faseroptischen Temperatursensors 300 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die Trägerstruktur 210 kann als ein Außenrohr zur Verfügung gestellt sein. Die Halterung 330 kann als zumindest zwei Innenrohre zur Verfügung sein gestellt, beispielsweise beinhaltend ein erstes Innenrohr 332 und ein zweites Innenrohr 334.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist das zumindest eine Innenrohr einen Vorsprung auf. Beispielswiese weist das erste Innenrohr 332 einen ersten Vorsprung 333 auf, und das zweite Innenrohr 334 weist einen zweiten Vorsprung auf 335. Der erste Vorsprung 333 und der zweite Vorsprung 225 können an den zweiten Enden des ersten Innenrohres 332 und des zweiten Innenrohres 334 angeordnet sein. Der Vorsprung des zumindest einen Innenrohres, beispielsweise der erste Vorsprung 333 und der zweite Vorsprung 335, können wie unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben ausgestaltet sein.
Insbesondere kann das zumindest eine Innenrohr, beispielsweise das erste Innenrohr 332 und das zweite Innenrohr, an den zumindest zwei ersten Punkten 340 mit der Trägerstruktur 210 verbunden sein, wobei die zumindest zwei ersten Punkte 340 den ersten Abstand L1 aufweisen. Das zumindest eine Innenrohr, beispielsweise das erste Innenrohr 332 und das zweite Innenrohr 334, kann an den zumindest zwei zweiten Punkten 350 mit dem Lichtwellenleiter 120 verbunden sein, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte 350 den zweiten Abstand L2 aufweisen.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Trägerstruktur 210 und die Halterung 330 durch einen Klebstoff miteinander verbunden. Alternativ oder optional sind die Halterung 330 und der Lichtwellenleiter 120 durch einen Klebstoff miteinander verbunden. Beispielsweise kann der Klebstoff an den zumindest zwei ersten Punkten 340 und/oder an den zumindest zwei zweiten Punkten 350 bereitgestellt sein. In einigen Implementierungen beinhaltet der faseroptische Temperatursensor 300 eine Klebeschicht, wobei das zumindest eine Innenrohr über die Klebeschicht mit dem Lichtwellenleiter 120 verbunden ist. Die Klebeschicht kann sich zumindest über einen Teil der Gesamtlänge des zumindest einen Innenrohres zwischen dem zumindest einen Innenrohr und dem Lichtwellenleiter 120 erstrecken.
4 zeigt ein Flussdiagramm 400 eines Verfahrens zur Herstellung eines faseroptischen Temperatursensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 400 kann beispielsweise für die Herstellung des faseroptischen Temperatursensors gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
Das Verfahren 400 beinhaltet in Schritt S410 ein Befestigen einer Halterung für einen Lichtwellenleiter an einer Trägerstruktur an zumindest zwei ersten Punkten, wobei die zumindest zwei ersten Punkte einen ersten Abstand aufweisen, und in Schritt S430 ein Befestigen des Lichtwellenleiters an der Halterung an zumindest zwei zweiten Punkten, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte einen zweiten Abstand aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand vom ersten Abstand unterscheidet.
In manchen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiter in Schritt S420 ein Vorspannen des Lichtwellenleiters und in Schritt S430 weiter ein Befestigen des Lichtwellenleiters an der Halterung im vorgespannten Zustand. Das Vorspannen des Lichtwellenleiters kann einen Temperaturmessbereich des faseroptischen Temperatursensors vergrößern. Beispielsweise kann durch das Vorspannen des Lichtwellenleiters bei einer Temperaturerhöhung zunächst eine Entlastung des Lichtwellenleiters erfolgen, und bei einer noch weiteren Temperaturerhöhung kann eine Dehnung oder Streckung des Lichtwellenleiters erfolgen.
Der faseroptische Temperatursensor gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen weist eine Trägerstruktur und eine damit verbundene Halterung für den Lichtwellenleiter auf. Bei einer Temperaturänderung werden der Lichtwellenleiter und die Sensorstruktur mechanisch belastet. Diese Belastung wird insbesondere durch den ersten Abstand und den zweiten Abstand, die unterschiedlich sind, bewirkt. Durch die Verbindung der Halterung mit der Trägerstruktur an den ersten Punkten und durch die Verbindung des Lichtwellenleiters mit der Halterung an den zweiten Punkten wird eine hebelfreie mechanische Verstärkungsanordnung, der durch das Verhältnis aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand bestimmt wird, bereitgestellt.
Die Dehnung des Lichtwellenleiters kann verstärkt werden. Durch diese Verstärkung kann beispielsweise eine Messauflösung des faseroptischen Temperatursensors erhöht werden. Zudem können durch die Wahl des ersten Abstands und/oder des zweiten Abstands die Messauflösung und/oder ein Temperaturmessbereich des faseroptischen Temperatursensors eingestellt werden. Insbesondere können die Verstärkung und/oder die Einstellung der Messauflösung und des Temperaturmessbereichs unabhängig von den Ausdehnungskoeffizienten der Materialien beispielswiese der Trägerstruktur und der Halterung erfolgen.

Claims

Faseroptischer Temperatursensor (100), umfassend: eine Trägerstruktur (110) mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1); einen mit einer Sensorstruktur (122) ausgebildeten Lichtwellenleiter (120); und eine Halterung (130) für den Lichtwellenleiter (120), die an zumindest zwei ersten Punkten (140) mit der Trägerstruktur (110) verbunden ist, wobei die zumindest zwei ersten Punkte (140) einen ersten Abstand (L1) aufweisen, wobei der Lichtwellenleiter (120) an zumindest zwei zweiten Punkten (150) mit der Halterung (130) verbunden ist, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte (150) einen zweiten Abstand (L2) aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand (L2) vom ersten Abstand (L1) unterscheidet.
Der faseroptische Temperatursensor (100) nach Anspruch 1, wobei die Halterung (130) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) aufweist, der vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) verschieden ist.
Der faseroptische Temperatursensor (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägerstruktur (210) als ein Außenrohr zur Verfügung gestellt ist.
Der faseroptische Temperatursensor (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halterung (230) als zumindest ein Innenrohr zur Verfügung gestellt ist, insbesondere wobei die Halterung (230) durch zumindest zwei Innenrohre zur Verfügung gestellt ist.
Der faseroptische Temperatursensor (200) nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Innenrohr ein erstes Innenrohr (232) und ein zweites Innenrohr (234) umfasst, wobei das erste Innenrohr (232) und das zweite Innenrohr (234) jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, und wobei die ersten Enden einander gegenüberliegen und den zweiten Abstand (L2) zwischen den ersten Enden definieren.
Der faseroptische Temperatursensor (200) nach Anspruch 5, wobei die zweiten Enden den ersten Abstand (L1) zwischen den zweiten Enden definieren.
Der faseroptische Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halterung einen ersten Vorsprung (132) und einen zweiten Vorsprung (134) aufweist, die voneinander beabstandet angeordnet sind, und wobei der Lichtwellenleiter (120) mit dem ersten Vorsprung (132) und dem zweiten Vorsprung (134) verbunden ist.
Der faseroptische Temperatursensor (100) nach Anspruch 7, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Vorsprung (132) und dem zweiten Vorsprung (134) kleiner oder gleich dem zweiten Abstand (L2) ist.
Der faseroptische Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Dehnung oder Stauchung des Lichtwellenleiters (120) bei einer Temperaturänderung proportional zu einem Verhältnis des ersten Abstands (L1) zum zweiten Abstand (L2) ist.
Der faseroptische Temperatursensor (100) nach Anspruch 9, wobei das Verhältnis des ersten Abstands (L1) zum zweiten Abstand (L2) in einem Bereich von –10 bis +10 ist.
Der faseroptischer Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Abstand größer (L1) als der zweite Abstand (L2) ist.
Der faseroptischer Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste Abstand (L1) in einem Bereich von 5 bis 40 mm ist, und/oder wobei der zweite Abstand (L2) in einem Bereich von 8 bis 50 mm ist.
Der faseroptischer Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der erste Ausdehnungskoeffizient (α1) in einem Bereich von 5∙10^–6 K^–1 bis 30∙10^–6 K^–1 ist, und/oder wobei der zweite Ausdehnungskoeffizient (α2) in einem Bereich von 5∙10^–6 K^–1 bis 30∙10^–6 K^–1 ist.
Der faseroptischer Temperatursensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Sensorstruktur (122) des Lichtwellenleiters (120) ein Faser-Bragg-Gitter umfasst.
Verfahren (400) zur Herstellung eines faseroptischen Temperatursensors, umfassend: Befestigen einer Halterung für einen Lichtwellenleiter an einer Trägerstruktur an zumindest zwei ersten Punkten, wobei die zumindest zwei ersten Punkte einen ersten Abstand aufweisen (S410); und Befestigen des Lichtwellenleiters an der Halterung an zumindest zwei zweiten Punkten, wobei die zumindest zwei zweiten Punkte einen zweiten Abstand aufweisen, und wobei sich der zweite Abstand vom ersten Abstand unterscheidet (S430).
Das Verfahren (400) nach Anspruch 15, weiter umfassend: Vorspannen des Lichtwellenleiters (S420), wobei das Befestigen einer Halterung für einen Lichtwellenleiter an einer Trägerstruktur an zumindest zwei ersten Punkten weiter umfasst: Befestigen des Lichtwellenleiters an der Halterung im vorgespannten Zustand.