DE102017201524A1 - Fiber optic detection device and method for operating such a fiber optic detection device - Google Patents

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Thomas Bosselmann
Michael Willsch
Barbara Hopf
Johannes Roths
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Siemens AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Erfassungseinrichtung (10), mit wenigstens einer als Lichtleiter ausgebildeten Faser (12), welche wenigstens einen ersten Längenbereich (14) mit einem ersten Außenumfang und wenigstens einen sich in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) an den ersten Längenbereich (14) anschließenden zweiten Längenbereich (16) mit einem gegenüber dem ersten Außenumfang geringeren zweiten Außenumfang aufweist, mit wenigstens einer Schutzhülle (24), in welcher zumindest die Längenbereiche (14, 16) aufgenommen sind, und mit wenigstens einem Sensortandem (28), welches wenigstens ein in den ersten Längenbereich (14) eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter (30) und wenigstens ein in den zweiten Längenbereich (16) eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter (34) aufweist und dazu ausgebildet ist, an einer korrespondierenden Messstelle sowohl eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) wirkende Kraft zu erfassen.

Figure DE102017201524A1_0000
The invention relates to a fiber optic detection device (10) having at least one fiber (12) designed as a light guide, which has at least a first longitudinal region (14) with a first outer circumference and at least one longitudinal extension direction (22) of the fiber (12) against the first Length region (14) adjoining the second longitudinal region (16) having a second outer circumference which is smaller than the first outer circumference, having at least one protective covering (24) in which at least the longitudinal regions (14, 16) are accommodated, and having at least one sensor tandem (28). which has at least one first fiber Bragg grating (30) inscribed in the first length region (14) and at least one second fiber Bragg grating (34) inscribed in the second longitudinal region (16) and is adapted to a corresponding one Measuring point both a prevailing at the measuring point temperature and at least one occurring at the measuring point and in the longitudinal direction (22) of the fiber (12) acting force.
Figure DE102017201524A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Erfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen faseroptischen Erfassungseinrichtung.The invention relates to a fiber optic detection device and a method for operating such a fiber optic detection device.

Faseroptische Erfassungseinrichtungen in Form von faseroptischen Temperatursensoren, sowie Verfahren zum Betreiben solcher faseroptischen Temperatursensoren sind bereits aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein solcher faseroptischer Temperatursensor auf Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) wird üblicherweise zur Multipunkt-Temperaturmessung eingesetzt, um beispielsweise an mehreren Messstellen jeweilige Temperaturen zu erfassen, das heißt zu messen. Zwar sind solche faseroptischen Temperatursensoren zumindest nahezu unanfällig gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern, jedoch können andere äußere Einflüsse eine exakte Messung beeinträchtigen.Fiber-optic detection devices in the form of fiber-optic temperature sensors, as well as methods for operating such fiber-optic temperature sensors are already well known from the general state of the art. Such a fiber optic temperature sensor based on fiber Bragg gratings (FBG) is usually used for multi-point temperature measurement, for example, to detect at various measuring points respective temperatures, that is to measure. While such fiber optic temperature sensors are at least nearly immune to external electromagnetic fields, other external influences can affect accurate measurement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine faseroptische Erfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen eine besonders präzise Messung realisierbar ist.Object of the present invention is therefore to provide a fiber optic detection device and a method by which a particularly precise measurement can be realized.

Diese Aufgabe wird durch eine faseroptische Erfassungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a fiber optic detection device having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 12. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine faseroptische Erfassungseinrichtung, welche wenigstens eine als Lichtleiter ausgebildete Faser aufweist. Die Faser weist wenigstens einen ersten Längenbereich mit einem ersten Außenumfang und wenigstens einen sich in Längserstreckungsrichtung der Faser an den ersten Längenbereich, insbesondere direkt, anschließenden zweiten Längenbereich mit einem gegenüber dem ersten Außenumfang geringeren zweiten Außenumfang auf. Außerdem umfasst die faseroptische Erfassungseinrichtung wenigstens eine Schutzhülle, in welcher zumindest die Längenbereiche und somit die Fasern zumindest teilweise aufgenommen sind.A first aspect of the invention relates to a fiber optic detection device which has at least one fiber designed as a light guide. The fiber has at least a first longitudinal region with a first outer circumference and at least one second longitudinal region, in particular directly, adjoining the second longitudinal region in the longitudinal direction of the fiber with a second outer circumference which is smaller than the first outer circumference. In addition, the fiber optic detection device comprises at least one protective cover, in which at least the length regions and thus the fibers are at least partially accommodated.

Außerdem weist die faseroptische Erfassungseinrichtung wenigstens ein Sensortandem auf, welches wenigstens ein in den ersten Längenbereich eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter (erstes FBG) und wenigstens ein in den zweiten Längenbereich eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter (zweites FBG) aufweist. Außerdem ist das Sensortandem dazu ausgebildet, an einer korrespondierenden Messstelle sowohl wenigstens eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung der Faser wirkende und dabei insbesondere auf die Faser wirkende Kraft zu erfassen. Die erfindungsgemäße faseroptische Erfassungseinrichtung ist somit als faseroptischer Temperatursensor, insbesondere als faseroptische Temperaturmesskette, ausgebildet, welcher beziehungsweise welche auch dazu ausgebildet ist, an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung der Faser. insbesondere auf die Faser, wirkende Kräfte, das heißt sogenannte Längs- oder Axialkräfte zu erfassen. Mit anderen Worten ist die jeweilige, in Längserstreckungsrichtung der Faser wirkende Kraft beispielsweise eine in der Faser wirkende Längskraft, welche mittels des Sensortandems erfasst, das heißt gemessen werden kann.In addition, the fiber-optic detection device has at least one sensor tandem, which has at least one first fiber Bragg grating (first FBG) inscribed in the first length range and at least one second fiber Bragg grating (second FBG) inscribed in the second length range. In addition, the sensor tandem is designed to detect at a corresponding measuring point both at least one temperature prevailing at the measuring point and at least one force acting on the measuring point and acting in the direction of longitudinal extension of the fiber and in particular acting on the fiber. The fiber optic detection device according to the invention is thus designed as a fiber-optic temperature sensor, in particular as a fiber-optic temperature measuring chain, which is or which is also designed to occur at the measuring point and in the longitudinal direction of the fiber. in particular on the fiber, acting forces, that is to say so-called longitudinal or axial forces. In other words, the respective force acting in the longitudinal direction of the fiber force, for example, acting in the fiber longitudinal force, which can be detected by means of the sensor tether, that can be measured.

Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass faseroptische Temperatursensoren auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) zur Temperaturmessung, insbesondere zur Multipunkt-Temperaturmessung, verwendet werden können. Unter eine Multipunkt-Temperaturmessung ist beispielsweise zu verstehen, dass mittels jeweiliger, in Längserstreckungsrichtung der Faser voneinander beabstandeter Sensortandems jeweilige, an jeweiligen korrespondierenden Messstellen herrschende Temperaturen erfasst werden können. Dabei ist ein FBG sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung und somit beispielsweise auf in der Faser wirkende Längskräfte empfindlich. Daher wird die auch als Sensorfaser bezeichnete Faser in der Schutzhülle, welche auch als Schutzrohr oder Kapillare bezeichnet wird, aufgenommen, wobei die Faser beispielsweise lose in die Schutzhülle eingelegt wird. Hierdurch kann eine Aufbautechnik realisiert werden, welche gewährleisten soll, dass das jeweilige Sensortandem frei von mechanischen Belastungen ist. Das jeweilige Sensortandem ist somit ein Sensorelement zum Erfassen einer Temperatur. Mechanische, auf das jeweilige Sensorelement wirkende Belastungen können die Erfassung der Temperatur beeinträchtigen, was dadurch vermieden werden soll, dass das Sensortandem in der Schutzhülle angeordnet wird. Dies ist üblicherweise jedoch nur bedingt realisierbar, da aufgrund von Reibung zwischen der Schutzhülle und der Faser Längsspannungen, insbesondere in die Faser, eingebracht werden können. Eine Kraftübertragung zwischen Faser und Kapillare aufgrund von Reibung wächst mit zunehmender Faser- beziehungsweise Kapillarlänge.The invention is based in particular on the finding that fiber-optic temperature sensors based on fiber Bragg gratings (FBG) can be used for temperature measurement, in particular for multipoint temperature measurement. A multipoint temperature measurement is to be understood, for example, as meaning that respective temperatures prevailing at respective corresponding measuring points can be detected by means of respective sensor tandems spaced apart in the direction of longitudinal extension of the fiber. In this case, an FBG is sensitive both to temperature and to elongation and thus, for example, to longitudinal forces acting in the fiber. Therefore, the fiber, also referred to as a sensor fiber, is accommodated in the protective sheath, which is also referred to as a protective tube or capillary, the fiber, for example, being inserted loosely into the protective sheath. In this way, a construction technique can be realized, which is to ensure that the respective sensor tandem is free of mechanical loads. The respective sensor tandem is thus a sensor element for detecting a temperature. Mechanical loads acting on the respective sensor element can impair the detection of the temperature, which is to be avoided by arranging the sensor tandem in the protective cover. However, this is usually only partially realizable, since due to friction between the protective cover and the fiber longitudinal stresses, in particular in the fiber, can be introduced. A power transmission between fiber and capillary due to friction increases with increasing fiber or capillary length.

Daher ist eine jeweilige Gesamtlänge der Kapillare und der Faser üblicherweise begrenzt. Weiterhin ist bei gekrümmter Kapillare eine höhere Kraftübertragung aufgrund von Reibung vorhanden, sodass in der Regel eine beispielsweise durch die Faser und die Schutzhülle gebildete Messleitung nicht gekrümmt verlaufen darf. Durch die zuvor beschriebenen Reibungseinflüsse, aber auch durch das Eigengewicht langer, in Kapillaren befindlicher Sensorfasern können bei einer Temperaturkalibrierung systematische Unsicherheiten auftreten, da ein Spannungszustand der Faser in einem Zustand, in welchem die Temperaturkalibrierung durchgeführt wird, nicht identisch sein muss mit einem Spannungszustand der Faser in eingebautem Zustand.Therefore, a respective total length of the capillary and the fiber is usually limited. Furthermore, in the case of curved capillaries, a higher power transmission due to friction is present, so that as a rule a measuring line formed, for example, by the fiber and the protective cover must not run in a curved manner. By the friction effects described above, but also by the Dead weight of long capillary sensor fibers may experience systematic uncertainties in a temperature calibration since a stress state of the fiber in a state in which the temperature calibration is performed need not be identical to a stress state of the fiber when installed.

Diese Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung vermieden werden, da an der Messstelle mittels des Sensortandems sowohl die Temperatur als auch die Längskraft in der Faser erfasst werden. Dabei kann das jeweilige FBG zum Beispiel vom Typ I, IIa oder von einem anderen Typ sein oder beispielsweise als regeneriertes FBG oder als mit einem fs-Laser eingeschriebenes FBG ausgebildet sein. Die Schutzhülle gewährleistet einen Schutz der Faser, insbesondere des Sensortandems. Beispielsweise kann es zu einer Reibung zwischen der Schutzhülle und der Faser, insbesondere im Bereich des Sensortandems, kommen, wobei diese Reibung Einfluss auf die Erfassung der Temperatur haben kann. Da nun jedoch nicht nur die Temperatur, sondern auch die Längskraft an derselben Messstelle mittels desselben Sensortandems gemessen wird, und da die Längskraft von der genannten Reibung zwischen der Faser und der Schutzhülle abhängt, können Reibungseinflüsse auf die Erfassung der Temperatur durch die Erfassung der Längskraft ermittelt beziehungsweise abgeschätzt und schließlich kompensiert werden ebenso wie eventuell auftretende Längskräfte auf der Faser.These problems and disadvantages can be avoided by means of the fiber optic detection device according to the invention, since both the temperature and the longitudinal force in the fiber are detected at the measuring point by means of the sensor tether. In this case, the respective FBG can be, for example, of the type I, IIa or of another type or designed, for example, as a regenerated FBG or as an FBG inscribed with an fs laser. The protective cover ensures protection of the fiber, in particular of the sensor tether. For example, there may be a friction between the protective sheath and the fiber, in particular in the region of the sensor tether, wherein this friction can influence the detection of the temperature. However, since not only the temperature but also the longitudinal force at the same measuring point is measured by means of the same sensor tether, and since the longitudinal force depends on said friction between the fiber and the protective sleeve, frictional influences on the detection of the temperature can be determined by the detection of the longitudinal force or estimated and eventually compensated as well as possibly occurring longitudinal forces on the fiber.

Faser-Bragg-Gitter sind als optische Sensoren für die Messung von Spannungen, Dehnungen und Temperatur bekannt und finden aufgrund ihrer Vorteile Einsatz in schwer zugänglichen Systemen. Diese Sensoren sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und eignen sich daher für Messungen in Industriekraftanlagen oder medizinischen Anwendungen, bei denen zum Beispiel hohe Feldstärken den Einsatz von konventionellen Thermoelementen beziehungsweise elektrischen Dehnungsmessstreifen verbieten. Ein wesentlicher Vorteil der FBG-basierten optischen Messtechnik ist die Möglichkeit, mehrere Messstellen in einer Faser integrieren zu können. Dadurch können Temperaturmessungen mit geringem Aufwand, geringem Platzverbrauch und geringem Verkabelungsaufwand flexibel durchgeführt werden. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Faser mehrere Sensortandems, das heißt wenigstens ein weiteres Sensortandem aufweist, wobei das weitere Sensortandem in Längserstreckungsrichtung der Faser von dem ersten Sensortandem beabstandet ist. Dabei können die vorigen und folgenden Ausführungen zum ersten Sensortandem ohne weiteres auch auf das zweite Sensortandem übertragen werden und umgekehrt.Fiber Bragg gratings are known as optical sensors for the measurement of stresses, strains and temperature and, due to their advantages, are used in systems that are difficult to access. These sensors are insensitive to electromagnetic fields and are therefore suitable for measurements in industrial power plants or medical applications where, for example, high field strengths prohibit the use of conventional thermocouples or electrical strain gauges. An important advantage of FBG-based optical metrology is the possibility to integrate several measuring points in one fiber. As a result, temperature measurements with little effort, low space consumption and low cabling can be flexibly performed. Thus, it is provided, for example, that the fiber has a plurality of sensor tandems, that is to say at least one further sensor tandem, wherein the further sensor tandem is spaced apart in the longitudinal direction of extension of the fiber from the first sensor tandem. The previous and following comments on the first sensor tandem can be easily transferred to the second sensor tandem and vice versa.

Bei Faser-Bragg-Gittern handelt es sich üblicherweise um eine periodische Brechungsindexvariation im Kern der beispielsweise als Glasfaser ausgebildeten Faser mit einer Gitterperiode von circa 530 Nanometer. Diese Brennungsindexmodulation wirkt wie ein dielektrischer Spiegel, sodass in der beispielsweise als Glasfaser ausgebildeten Faser geführtes Licht in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich um die sogenannte Bragg-Wellenlänge reflektiert wird, während alle anderen Wellenlängen das auch als Gitter bezeichnete FBG unbeeinflusst passieren. Die Bragg-Wellenlänge hängt dabei lediglich von der Gitterperiode und dem effektiven modalen Brechungsindex ab. Beide Größen sind sowohl temperatur- als auch dehnungsabhängig beziehungsweise abhängig von internen Spannungen und somit beispielsweise Längskräften in der Faser, sodass die Messung einer Kenngröße wie der Temperatur unter Vorhandensein eines weiteren Einflusses eine große Herausforderung darstellt. Ein solcher weiterer Einfluss ist die zuvor genannte Längskraft, insbesondere in der Faser, wobei die Längskraft beispielsweise durch eine Dehnung der Faser bewirkt werden kann und wobei die Dehnung durch einen äußeren, auf die Faser wirkenden Einfluss bewirkt werden kann.Fiber Bragg gratings are typically a periodic refractive index variation in the core of, for example, fiber-formed fiber having a grating period of about 530 nanometers. This firing index modulation acts like a dielectric mirror, so that light guided in the fiber, for example, a fiber, is reflected in a very narrow wavelength range around the so-called Bragg wavelength, while all other wavelengths pass unaffected by the FBG, also referred to as grating. The Bragg wavelength depends only on the grating period and the effective modal refractive index. Both quantities are both temperature and strain-dependent or dependent on internal stresses and thus, for example, longitudinal forces in the fiber, so that the measurement of a parameter such as the temperature in the presence of another influence is a major challenge. Such a further influence is the aforementioned longitudinal force, in particular in the fiber, wherein the longitudinal force can be effected, for example, by an elongation of the fiber and wherein the elongation can be effected by an external influence acting on the fiber.

Eine Methode zur Trennung von Dehnungs- und Temperatureinflüssen ist beispielsweise die Verwendung der Signale von Fast- und Slow-Axis einer polarisationserhaltenden Faser, die Verwendung zweier Gitter mit deutlich unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen, die Verwendung von Fasern mit unterschiedlicher Dotierung und/oder Typ I und Typ IIa Gitter. Im Wesentlichen basieren alle diese Sensoren auf zwei Faser-Bragg-Gittern, die an einer Stelle mit gleicher Temperatur und Dehnung angebracht sind. Beide FBG reagieren dabei unterschiedlich stark auf Einflüsse durch Änderung der Bragg-Wellenlänge. Aus den Wellenlängenwerten der beiden Gitter können sowohl die Temperatur als auch die Dehnung bestimmt werden. Möglichst unterschiedliche Sensoreigenschaften beziehungsweise Sensitivitäten der FBG sind dabei erwünscht, um genaue Messwerte zu erhalten. Ein Nachteil der oben aufgeführten Methoden sind jedoch geringe Unterschiede in den Sensitivitäten der zur Auswertung verwendeten zwei Sensorsignale. Dies führt zu großen Fehlern in der Temperaturbestimmung, wenn handelsübliche optische Interrogatoren zur Auswertung verwendet werden.A method for the separation of strain and temperature influences, for example, the use of the signals of fast and slow axis of a polarization-maintaining fiber, the use of two grids with significantly different Bragg wavelengths, the use of fibers with different doping and / or type I and Type IIa grid. In essence, all of these sensors are based on two fiber Bragg gratings mounted at a location of equal temperature and strain. Both FBG react differently to influences by changing the Bragg wavelength. From the wavelength values of the two gratings both the temperature and the elongation can be determined. As far as possible different sensor properties or sensitivities of the FBG are desired in order to obtain accurate measured values. A disadvantage of the methods listed above, however, are small differences in the sensitivities of the two sensor signals used for the evaluation. This leads to large errors in the temperature determination when commercially available optical interrogators are used for the evaluation.

Ferner ist es grundsätzlich denkbar, die Faser in den Längenbereichen und dem Sensortandem ohne Schutzhülle zu verwenden und dabei beispielsweise das Sensortandem mithilfe von zwei Punktklebungen auf einem zu untersuchenden Substrat zu fixieren. Hierbei führt jedoch eine Gesamtdehnung zwischen den Punktklebungen und somit zwischen den Klebepunkten, an denen das Sensortandem gegen das Substrat geklebt ist, zu unterschiedlich starken Dehnungen in den Längenbereichen und damit zu deutlich unterschiedlichen Sensitivitäten der Faser beziehungsweise der Längenbereiche auf Gesamtdehnung.Furthermore, it is basically conceivable to use the fiber in the length ranges and the sensor tandem without a protective cover and to fix, for example, the sensor tandem with the aid of two point adhesions on a substrate to be examined. In this case, however, a total elongation between the point bonds and thus between the adhesive points at which the sensor tandem is bonded to the substrate leads to different strong strains in the length ranges and thus to significantly different sensitivities of the fiber or the length ranges to total strain.

Vor diesem Hintergrund ermöglicht die erfindungsgemäße faseroptische Erfassungseinrichtung eine präzise Temperaturmessung, da beispielsweise in Abhängigkeit von der erfassten Längskraft die zu ermittelnde Temperatur an der Messstelle kompensiert werden kann beziehungsweise infolge des Erfassens der Längskraft können Dehnungseinflüsse auf die Temperaturmessung kompensiert werden, indem beispielsweise die erfasste Temperatur um die erfasste Längskraft beziehungsweise um einen durch die erfasste Längskraft charakterisierten beziehungsweise bewirkten Dehnungseinfluss korrigiert werden kann. Somit ist es möglich, die erfindungsgemäße faseroptische Messeinrichtung als Mehrpunkt-Temperatursensor auszubilden, der beispielsweise mehrere, insbesondere in Längserstreckungsrichtung der Faser voneinander beabstandete Sensortandems aufweist und Punkt-Temperaturmessungen mit hoher Genauigkeit an unterschiedlichen Messstellen in der Schutzhülle ermöglicht und dabei Stresswerte an den jeweiligen, auch als Messpunkten bezeichneten Messstellen mitbestimmt, wobei die Stresswerte durch die erfassbare Kraft beziehungsweise durch die erfassbaren Kräfte charakterisiert werden und beispielsweise durch Reibungseffekte an den Messstellen auftreten. Somit ist es möglich, einen durch die Kräfte beziehungsweise durch Stress verursachten Fehler in der Temperaturmessung zu kompensieren.Against this background, the fiber optic detection device according to the invention allows a precise temperature measurement, since, for example, depending on the detected longitudinal force, the temperature to be determined can be compensated at the measuring point or due to the detection of the longitudinal force Dehnnungseinflüsse can be compensated for the temperature measurement, for example, by the detected temperature the detected longitudinal force or can be corrected by a characterized by the detected longitudinal force or caused strain influence. Thus, it is possible to form the fiber-optic measuring device according to the invention as a multi-point temperature sensor, for example, has a plurality, in particular in the longitudinal direction of the fiber spaced sensor tandem and enables point-temperature measurements with high accuracy at different measuring points in the case and thereby stress levels to the respective, also Determined as measuring points designated measuring points, wherein the stress levels are characterized by the detectable force or by the detectable forces and occur, for example, by friction effects at the measuring points. Thus, it is possible to compensate for an error caused by the forces or stress in the temperature measurement.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die faseroptische Erfassungseinrichtung eine elektronische Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein mittels der Faser geführtes und die erfasste Temperatur und die erfasste Kraft charakterisierendes Signal zu empfangen und einen Rechenprozess durchzuführen, bei welchem die Recheneinrichtung wenigstens einen Temperaturwert in Abhängigkeit von dem Signal berechnet. Wie zuvor beschrieben stellt die mittels des Sensortandems erfasste Temperatur eine Temperatur dar, welche nicht notwendigerweise der an der Messstelle tatsächlich herrschenden Temperatur beziehungsweise einem Ist-Wert der tatsächlich an der Messstelle herrschenden Temperatur entsprechen muss. Beispielsweise wird die Erfassung der Temperatur mittels des Sensortandems durch eine Längskraft in der Faser beeinträchtigt, wobei die Längskraft durch eine Dehnung der Faser und somit durch äußere mechanische Einflüsse auf die Faser bewirkt werden kann.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the fiber optic detection device comprises an electronic computing device, which is adapted to receive a guided by the fiber and the detected temperature and the detected force characterizing signal and perform a computing process in which the computing device at least one temperature value in dependence calculated from the signal. As described above, the temperature detected by means of the sensor tandem constitutes a temperature which does not necessarily have to correspond to the temperature actually prevailing at the measuring point or an actual value of the temperature actually prevailing at the measuring point. For example, the detection of the temperature by means of the sensor tether by a longitudinal force in the fiber is impaired, wherein the longitudinal force can be effected by an elongation of the fiber and thus by external mechanical influences on the fiber.

Da nun mittels des Sensortandems die genannte Kraft, das heißt die Längskraft, erfasst wird, kann beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung aus der erfassten Längskraft ein Korrekturwert berechnet werden, um welchen die mittels des Sensortandems erfasste Temperatur korrigiert wird. Durch diese Korrektur der mittels des Sensortandems erfassten Temperatur wird beispielsweise der genannte Temperaturwert berechnet und somit ermittelt, wobei der Temperaturwert beispielsweise dem Ist-Wert entspricht oder aber geringer als die mittels des Sensortandems erfasste Temperatur von dem Ist-Wert abweicht. Somit ist es mittels der Recheneinrichtung möglich, eine Abweichung zwischen dem Ist-Wert der tatsächlich an der Messstelle herrschenden Temperatur und dem Temperaturwert zumindest besonders gering zu halten oder gar zu vermeiden, sodass eine besonders präzise Ermittlung der an der Messstelle herrschenden Temperatur realisierbar ist.Since the said force, ie the longitudinal force, is detected by means of the sensor tether, a correction value can be calculated, for example, by means of the electronic computing device from the detected longitudinal force, by which the temperature detected by the sensor tandem is corrected. By means of this correction of the temperature detected by means of the sensor tensor, the temperature value mentioned is calculated and thus determined, the temperature value corresponding, for example, to the actual value or deviating less than the temperature detected by the sensor tandem from the actual value. Thus, it is possible by means of the computing device to keep a deviation between the actual value of the actual temperature prevailing at the measuring point and the temperature value at least particularly low or even avoided, so that a particularly precise determination of the temperature prevailing at the measuring point can be realized.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzhülle aus einem nicht-metallischen Werkstoff gebildet. Diese eignet sich besonders vorteilhaft für die Anwendung in elektrischen Maschinen und Anlagen. Bei dem nicht-metallischen Werkstoff handelt es sich vorzugsweise um Quarzglas, Polyimid (PI), PEEK (Polyetheretherketon) oder um einen faserverstärkten Kunststoff, welcher beispielsweise als glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ausgebildet sein kann.In a further advantageous embodiment of the invention, the protective cover is formed of a non-metallic material. This is particularly advantageous for use in electrical machinery and equipment. The non-metallic material is preferably quartz glass, polyimide (PI), PEEK (polyether ether ketone) or a fiber-reinforced plastic, which may be formed, for example, as glass fiber reinforced plastic (GRP).

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzhülle aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Edelstahl oder Inconel, gebildet ist. Diese eignen sich besonders vorteilhaft für die Anwendung in Gas- und Dampfturbinen.A further embodiment is characterized in that the protective cover is formed from a metallic material, in particular from a stainless steel or Inconel. These are particularly advantageous for use in gas and steam turbines.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der metallische Werkstoff eine nickelhaltige warmfeste Legierung ist. Ist es beispielsweise vorgesehen, die faseroptische Erfassungseinrichtung unter einer Isolierung einer Wicklung einer elektrischen Maschine anzuordnen, ist es von Vorteil, wenn die Schutzhülle einen Außendurchmesser von nicht mehr als 1,5 Millimeter aufweist.Another embodiment is characterized in that the metallic material is a nickel-containing heat-resistant alloy. For example, if it is provided to arrange the fiber optic detection device under insulation of a winding of an electric machine, it is advantageous if the protective cover has an outer diameter of not more than 1.5 millimeters.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Längenbereiche durch jeweilige, separat voneinander ausgebildete Faserstücke gebildet, welche miteinander verbunden sind. Dadurch kann eine besonders präzise Messung realisiert werden.In a further embodiment of the invention, the length ranges are formed by respective, separately formed fiber pieces, which are interconnected. As a result, a particularly precise measurement can be realized.

Beispielsweise sind die Faserstücke an einer Verbindungsstelle miteinander verbunden. Um dabei Transmissionsverluste an der Verbindungsstelle besonders gering zu halten oder zu vermeiden, weisen die Faserstücke vorzugsweise den gleichen Modenfeldradius auf.For example, the fiber pieces are connected to one another at a connection point. In order to keep transmission losses at the connection point particularly low or to avoid, the fiber pieces preferably have the same mode field radius.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Faserstücke miteinander verspleißt und dadurch miteinander verbunden sind, sodass die zuvor genannte Verbindungsstelle als Spleißstelle ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders präzise Messung realisiert werden.It has proven to be particularly advantageous when the fiber pieces are spliced together and thereby connected to each other, so that the aforementioned connection point is designed as a splice. As a result, a particularly precise measurement can be realized.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Faser lose in der Schutzhülle angeordnet, sodass ein übermäßiger Reibungseinfluss auf die Messung vermieden werden kann.In a further embodiment of the invention, the fiber is arranged loosely in the protective cover, so that an excessive influence of friction on the measurement can be avoided.

Als vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn die Faser zumindest entlang ihrer Längserstreckungsrichtung an der Schutzhülle, insbesondere stoffschlüssig, gesichert ist. Hierzu ist die Faser beispielsweise mit der Schutzhülle verklebt, um übermäßige Relativbewegungen zwischen der Faser und der Schutzhülle in Längserstreckungsrichtung der Faser vermeiden zu können.However, it has proven to be advantageous if the fiber is secured to the protective cover, in particular a material fit, at least along its longitudinal extension direction. For this purpose, the fiber is glued, for example, with the protective cover in order to avoid excessive relative movements between the fiber and the protective cover in the longitudinal direction of the fiber can.

Es wurde gefunden, dass sich eine besonders präzise Messung dadurch realisieren lässt, dass der erste Längenbereich einen Außendurchmesser von mindestens 80 Mikrometer, insbesondere von genau 80 Mikrometer, aufweist.It has been found that a particularly precise measurement can be realized by the fact that the first length range has an outer diameter of at least 80 micrometers, in particular of exactly 80 micrometers.

Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der erste Längenbereich einen Außendurchmesser von mindestens 125 Mikrometer, insbesondere von genau 125 Mikrometer, aufweist, wodurch die Temperatur besonders präzise erfasst werden kann.As further advantageous, it has been shown that the first length range has an outer diameter of at least 125 microns, in particular of exactly 125 microns, whereby the temperature can be detected particularly precisely.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer faseroptischen Erfassungseinrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung. Die faseroptische Erfassungseinrichtung umfasst wenigstens eine als Lichtleiter ausgebildete Faser, welche wenigstens einen ersten Längenbereich mit einem ersten Außenumfang und wenigstens einen sich in Längserstreckungsrichtung der Faser an den ersten Längenbereich, insbesondere direkt, anschließenden zweiten Längenbereich mit einem gegenüber dem ersten Außenumfang geringeren zweiten Außenumfang aufweist. Außerdem umfasst die faseroptische Erfassungseinrichtung wenigstens eine Schutzhülle, in welcher zumindest die Längenbereiche aufgenommen sind. Außerdem ist wenigstens ein Sensortandem vorgesehen, welches wenigstens ein in den ersten Längenbereich eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter und wenigstens ein in den zweiten Längenbereich eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter aufweist. Dabei werden mittels des Sensortandems an einer korrespondierenden Messstelle sowohl wenigstens eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung der Faser wirkende Kraft erfasst. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekt der Erfindung anzusehen und umgekehrt.A second aspect of the invention relates to a method for operating a fiber optic detection device, in particular a fiber optic detection device according to the invention. The fiber-optic detection device comprises at least one fiber configured as a light guide, which has at least a first length region with a first outer circumference and at least one in the longitudinal direction of the fiber to the first length region, in particular directly, subsequent second length region with a relation to the first outer circumference smaller second outer circumference. In addition, the fiber optic detection device comprises at least one protective cover, in which at least the length regions are accommodated. In addition, at least one sensor tandem is provided which has at least one first fiber Bragg grating inscribed in the first length range and at least one second fiber Bragg grating inscribed in the second length range. In this case, at least one temperature prevailing at the measuring point and at least one force acting at the measuring point and acting in the longitudinal direction of the fiber are detected by means of the sensor tether at a corresponding measuring point. Advantages and advantageous embodiments of the first aspect of the invention are to be regarded as advantages and advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:

  • 1 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung; und
  • 2 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Seitenansicht der faseroptischen Erfassungseinrichtung.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic partial and partially sectioned side view of a fiber optic detection device according to the invention; and
  • 2 a detail of a schematic and perspective side view of the fiber optic detection device.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine faseroptische Erfassungseinrichtung 10, welche - wie im Folgenden noch erläutert wird - als faseroptische Temperaturmesskette auf Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) ausgebildet ist. Dabei weist die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 eine als Lichtleiter ausgebildete Faser 12 auf, welche zum Leiten beziehungsweise Führen von Licht ausgebildet ist. Die Faser 12 wird auch als Sensorfaser bezeichnet und weist eine Mehrzahl von in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 voneinander beabstandeten und aufeinanderfolgenden ersten Längenbereichen 14 mit einem jeweiligen ersten Außenumfang, insbesondere mit einem jeweiligen ersten Außendurchmesser, auf. Ferner weist die Faser 12 eine Mehrzahl von in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 voneinander beabstandeten und dabei aufeinanderfolgenden zweiten Längenbereichen 16 mit einem jeweiligen zweiten Außenumfang, insbesondere mit einem jeweiligen zweiten Außendurchmesser, auf. Dabei ist der jeweilige zweite Außenumfang beziehungsweise der jeweilige zweite Außendurchmesser geringer als der jeweilige erste Außenumfang beziehungsweise der jeweilige erste Außendurchmesser. Die Längenbereiche 14 und 16 sind dabei alternierend beziehungsweise abwechselnd angeordnet, sodass paarweise zwischen den Längenbereichen 14 genau ein Längenbereich 16 angeordnet ist. 1 shows a detail in a schematic and partially sectioned side view of a fiber optic detection device 10 , which - as will be explained below - is designed as a fiber-optic temperature measurement chain based on fiber Bragg gratings (FBG). In this case, the fiber optic detection device 10 a trained as a light guide fiber 12 on, which is designed for guiding or guiding light. The fiber 12 is also referred to as a sensor fiber and has a plurality of in the longitudinal direction of the fiber 12 spaced apart and successive first length ranges 14 with a respective first outer circumference, in particular with a respective first outer diameter. Furthermore, the fiber has 12 a plurality of in the longitudinal direction of the fiber 12 spaced apart and thereby successive second length ranges 16 with a respective second outer circumference, in particular with a respective second outer diameter. In this case, the respective second outer circumference or the respective second outer diameter is smaller than the respective first outer circumference or the respective first outer diameter. The length ranges 14 and 16 are alternately or alternately arranged, so in pairs between the length ranges 14 exactly a length range 16 is arranged.

Die Längenbereiche 14 sind dabei durch jeweilige erste Faserstücke 18 gebildet. Ferner sind die jeweiligen Längenbereiche 16 durch jeweilige zweite Faserstücke 20 gebildet. Das jeweilige Faserstück 18 beziehungsweise 20 ist selbst als Faser und dabei als Lichtleiter ausgebildet. Die jeweiligen Faserstücke 18 und 20 sind in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 alternierend beziehungsweise abwechselnd angeordnet, wobei in 1 und 2 die Längserstreckungsrichtung der Faser 12 durch einen Doppelpfeil 22 veranschaulicht ist. Das jeweilige Faserstück 18 ist separat von dem jeweiligen Faserstück 20 ausgebildet und dabei an einer jeweiligen Verbindungsstelle V mit dem jeweiligen Faserstück 18 verbunden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das jeweilige Faserstück 18 mit dem jeweiligen Faserstück 20 an der Verbindungsstelle V verspleißt, das heißt durch Spleißen verbunden ist, sodass die jeweilige Verbindungsstelle V als eine Spleißstelle ausgebildet ist. The length ranges 14 are thereby by respective first fiber pieces 18 educated. Further, the respective length regions 16 are through respective second fiber pieces 20 educated. The respective fiber piece 18 respectively 20 is itself formed as a fiber and thereby as a light guide. The respective fiber pieces 18 and 20 are arranged in the longitudinal direction of the fiber 12 alternately or alternately, wherein in 1 and 2 the longitudinal extension direction of the fiber 12 by a double arrow 22 is illustrated. The respective fiber piece 18 is separate from the respective piece of fiber 20 formed and at a respective junction V with the respective fiber piece 18 connected. Preferably, it is provided that the respective piece of fiber 18 with the respective piece of fiber 20 splices at the junction V, that is, is connected by splicing, so that the respective junction V is formed as a splice.

Der jeweilige erste Außendurchmesser beträgt beispielsweise 125 Mikrometer, wobei der jeweilige zweite Außendurchmesser beispielsweise 80 Mikrometer beträgt. Zum Verbinden der jeweiligen Faserstücke 18 und 20 wird beispielsweise das Faserstück 18 auf das jeweilige Faserstück 20 gespleißt beziehungsweise umgekehrt. Hierfür wird beispielsweise ein jeweiliges Primärcoating des jeweiligen Faserstücks 18 beziehungsweise 20 vollständig oder lediglich in einem Bereich von einigen Zentimetern um die jeweilige Spleißstelle herum entfernt. Jeweilige Spleißparameter zum Verspleißen der jeweiligen Faserstücke 18 und 20 werden beispielsweise so gewählt, dass eine mechanische Stabilität, insbesondere der jeweiligen Verbindungsstelle V und somit der Faser 12 insgesamt, bis zu Dehnungswerten von 2000 Mikrostrain gewährleistet ist und eine Verformung der jeweiligen Spleißstelle möglichst vermieden wird.The respective first outer diameter is, for example, 125 micrometers, with the respective second outer diameter being, for example, 80 micrometers. For connecting the respective fiber pieces 18 and 20 becomes, for example, the piece of fiber 18 on the respective piece of fiber 20 spliced or vice versa. For this purpose, for example, a respective primary coating of the respective fiber piece 18 respectively 20 completely or only in a range of a few centimeters around the respective splice around. Respective splicing parameters for splicing the respective pieces of fiber 18 and 20 For example, be chosen so that a mechanical stability, in particular the respective joint V and thus the fiber 12 in total, to strain values of 2000 microstrain is ensured and deformation of the respective splice is avoided as possible.

Außerdem umfasst die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 wenigstens eine Schutzhülle 24, welche auch als Schutzrohr oder Kapillare bezeichnet wird. In der Schutzhülle 24, das heißt in einem geschlossenen Hohlquerschnitt 26 der Schutzhülle 24 sind zumindest die jeweiligen Längenbereiche 14 und 16 aufgenommen und somit mittels der Schutzhülle 24 geschützt, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Faser 12 zumindest überwiegend, insbesondere zumindest nahezu vollständig, in der Schutzhülle 24 aufgenommen ist.In addition, the fiber optic detector comprises 10 at least one protective cover 24 , which is also referred to as a protective tube or capillary. In the protective case 24 that is, in a closed hollow section 26 the protective cover 24 are at least the respective length ranges 14 and 16 and thus by means of the protective cover 24 protected, wherein it is preferably provided that the fiber 12 at least predominantly, in particular at least almost completely, in the protective cover 24 is included.

Außerdem weist die optische Erfassungseinrichtung 10 - wie besonders gut in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist - mehrere, in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 hintereinander angeordnete und dabei voneinander beabstandete Sensortandems 28 auf, sodass die faseroptische Erfassungseinrichtung als Multipunkt-Temperatursensor ausgebildet ist.In addition, the optical detection device 10 - how very good in conjunction with 2 recognizable - several, in the longitudinal direction of the fiber 12 arranged one behind the other and thereby spaced sensor tandems 28, so that the fiber optic detection device is designed as a multipoint temperature sensor.

Das jeweilige Sensortandem 28 weist dabei wenigstens ein erstes Faser-Bragg-Gitter 30 auf, welches in den jeweiligen Längenbereich 14, insbesondere in dessen Kern 32, eingeschrieben ist. Ferner weist das jeweilige Sensortandem 28 ein zweites Faser-Bragg-Gitter 34 auf, welches beispielsweise in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 auf das korrespondierende erste Faser-Bragg-Gitter 30 folgt und von diesem beabstandet ist und in den jeweiligen zweiten Längenbereich 16, insbesondere in dessen Kern 32, eingeschrieben ist. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, dass in dem jeweiligen Längenbereich 14 lediglich genau ein Faser-Bragg-Gitter 30 eingeschrieben ist, wobei alternativ oder zusätzlich vorgesehen ist, dass in dem jeweiligen Längenbereich 16 lediglich genau ein Faser-Bragg-Gitter 34 eingeschrieben ist. Die jeweiligen Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 des jeweiligen Sensortandems 28 werden vorzugsweise möglichst nahe an der jeweiligen Verbindungsstelle V angeordnet beziehungsweise in den jeweiligen Längenbereich 14 beziehungsweise 16 eingeschrieben. Die Herstellung des jeweiligen Faser-Bragg-Gitters 30 beziehungsweise 34 erfolgt beispielsweise durch Belichtung des Kerns 32 in einem sinusförmigen Interferenzbild eines UV-Lasers hinter einer geeigneten Phasenmaske. Dieses Vorgehen kann für beliebige Sensortandems wiederholt werden.The respective sensor tandem 28 has at least one first fiber Bragg grating 30 on, which in the respective length range 14 , especially in its core 32 , is inscribed. Furthermore, the respective sensor tandem points 28 a second fiber Bragg grating 34 on, which for example in the longitudinal direction of the fiber 12 to the corresponding first fiber Bragg grating 30 follows and is spaced therefrom and into the respective second length range 16 , especially in its core 32 , is inscribed. It is provided, for example, that in the respective length region 14 only exactly one fiber Bragg grating 30 is inscribed, it being alternatively or additionally provided that in the respective length range 16 just exactly one fiber Bragg grating 34 is inscribed. The respective fiber Bragg grating 30 and 34 of the respective sensor tandem 28 are preferably arranged as close as possible to the respective connection point V or in the respective length range 14 respectively 16 enrolled. The production of the respective fiber Bragg grating 30 respectively 34 takes place, for example, by exposure of the core 32 in a sinusoidal interference image of a UV laser behind a suitable phase mask. This procedure can be repeated for any sensor tandems.

Das jeweilige Sensortandem 28 ist nun dazu ausgebildet, an einer jeweiligen korrespondierenden Messstelle sowohl eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 wirkende Kraft, insbesondere in der Faser 12, zu erfassen. Die jeweilige Messstelle wird auch als Messpunkt oder Messbereich bezeichnet, an beziehungsweise in dem mittels des jeweiligen Sensortandems 28 die Temperatur und die auch als Längskraft bezeichnete Kraft in der Faser 12 erfasst werden können. Um die jeweiligen Längenbereiche 14 und 16 beziehungsweise die Faserstücke 18 und 20 durch Spleißen zu verbinden, werden jeweilige Spleiße hergestellt. Eine jeweilige Lage beziehungsweise Positionierung oder Ausrichtung der Spleiße richtet sich beispielsweise nach einem gewünschten Abstand der jeweiligen Messstellen, an denen eine Temperaturmessung mittels der Sensortandems 28 durchgeführt werden kann.The respective sensor tandem 28 is now designed to be at a respective corresponding measuring point both a prevailing at the measuring point temperature and at least one occurring at the measuring point and in the longitudinal direction of the fiber 12 acting force, especially in the fiber 12 , capture. The respective measuring point is also referred to as measuring point or measuring range, on or in the means of the respective sensor tandem 28 the temperature and the force in the fiber, also called the longitudinal force 12 can be detected. To the respective length ranges 14 and 16 or the pieces of fiber 18 and 20 by splicing, respective splices are made. A respective position or positioning or alignment of the splices depends, for example, on a desired distance of the respective measuring points at which a temperature measurement by means of the sensor tandems 28 can be carried out.

Die auch als Kapillare bezeichnete Schutzhülle 24 wird genutzt, um die Faser 12 vor äußeren Einflüssen mechanisch und/oder chemisch zu schützen sowie auf die Sensorfaser (Faser 12) wirkende Querkräfte zu vermeiden oder zumindest gering zu halten. Hierzu wird beispielsweise die Faser 12 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung durch die Schutzhülle 24 gezogen, um die Faser 12 in der Schutzhülle 24 anzuordnen.The protective cover, also referred to as capillary 24 is used to the fiber 12 mechanically and / or chemically protect against external influences as well as on the sensor fiber (fiber 12 ) to avoid acting lateral forces or at least to keep it low. For this example, the fiber 12 along its longitudinal direction through the protective cover 24 pulled to the fiber 12 in the protective cover 24 to arrange.

An wenigstens einem Ende der Kapillare kann eine Fixierung, insbesondere eine Punktfixierung, erfolgen, mittels welcher die Faser 12 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung an der Schutzhülle 24 gesichert ist. Hierzu kommt beispielsweise ein Klebstoff zum Einsatz, mittels welchem die Faser 12 mit der Schutzhülle 24 verklebt wird, um dadurch die Faser 12 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung an der Schutzhülle 24 zu sichern. Auf eine Sicherung der Faser 12 kann jedoch auch verzichtet werden, sodass es denkbar ist, dass die Faser 12 lose in der Schutzhülle 24 aufgenommen, insbesondere in die Schutzhülle 24 eingelegt, ist.At at least one end of the capillary can be a fixation, in particular a point fix, done by means of which the fiber 12 along its longitudinal direction on the protective cover 24 is secured. For this purpose, for example, an adhesive is used, by means of which the fiber 12 with the protective cover 24 is glued to thereby the fiber 12 along its longitudinal direction on the protective cover 24 to secure. On a fuse of the fiber 12 However, it can also be dispensed with, so that it is conceivable that the fiber 12 loose in the protective cover 24 taken, in particular in the protective cover 24 is inserted.

Das Messprinzip zum Erfassen der Temperatur und der Längskraft mittels des jeweiligen Sensortandems 28 beruht auf der Annahme, dass in unmittelbarer Nähe der jeweiligen Spleißstelle gleiche Temperatur und Längskräfte in der Faser 12 herrschen. Dabei dehnt sich beispielsweise das jeweilige Faserstück 20 gemäß dem Verhältnis ihrer Querschnittsflächen etwa um den Faktor 2,3 stärker als das zugehörige, jeweilige Faserstück 18 im Bereich der jeweiligen Spleißstelle. Dabei erfolgt die gleichzeitige Messung der Bragg-Wellenlängen der beiden Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 des jeweiligen Sensortandems 28. Zwar hängen die Bragg-Wellenlängen beider Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 von Temperatur und Spannung in der Faser 12 ab, eine Zugkraft auf der Faser 12 führt jedoch zu einer dementsprechend höheren Bragg-Wellenlängenverschiebung in dem jeweiligen Faserstück 20 im Vergleich zu dem jeweiligen Faserstück 18. Temperaturänderungen verhalten sich dabei ähnlich. Es können sowohl Temperatur als auch axiale Kraft an jeder Messstelle des jeweiligen Sensortandems 28 bestimmt werden.The measuring principle for detecting the temperature and the longitudinal force by means of the respective sensor tether 28 is based on the assumption that in the immediate vicinity of the respective splice the same temperature and longitudinal forces in the fiber 12 to rule. In this case, for example, the respective piece of fiber expands 20 according to the ratio of their cross-sectional areas about a factor of 2.3 stronger than the corresponding, respective piece of fiber 18 in the area of the respective splice site. The simultaneous measurement of the Bragg wavelengths of the two fiber Bragg gratings is carried out 30 and 34 of the respective sensor tandem 28 , Although the Bragg wavelengths of both fiber Bragg gratings 30 and 34 depend on temperature and stress in the fiber 12 off, a pulling force on the fiber 12 However, leads to a correspondingly higher Bragg wavelength shift in the respective fiber piece 20 in comparison to the respective piece of fiber 18 , Temperature changes behave similarly. Both temperature and axial force can be measured at each measuring point of the respective sensor tandem 28 be determined.

Da die Faser 12 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung die mehreren Sensortandems 28 aufweist, ist die Faser 12 beziehungsweise die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 insgesamt als Sensorkette, insbesondere als Temperatursensorkette, ausgebildet. Eine solche Sensorkette kann nach ihrer Herstellung zumindest nahezu nach Belieben an gewünschten beziehungsweise interessanten Stellen angeordnet beziehungsweise angebracht werden. Auf eine Multiplexingfähigkeit der Sensorkette muss bei der faseroptischen Erfassungseinrichtung 10 zur Temperatur-Kraft-Entkopplung nicht verzichtet werden bei gleichzeitiger Realisierung einer hohen Genauigkeit der Temperaturmessung.Because the fiber 12 along its longitudinal direction, the multiple sensor tandems 28 has, is the fiber 12 or the fiber optic detection device 10 overall as a sensor chain, in particular as a temperature sensor chain formed. Such a sensor chain can be arranged or attached after its production at least almost at will at desired or interesting points. On a multiplexing ability of the sensor chain must in the fiber optic detection device 10 for temperature-power decoupling not be waived while achieving a high accuracy of the temperature measurement.

Beispielsweise werden Temperatur- und Kraftempfindlichkeiten der jeweiligen Messstelle, das heißt des jeweiligen, die jeweiligen Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 umfassenden Sensortandems 28 vor Einbau kalibriert. Da mittels des jeweiligen Sensortandems 28 sowohl die Temperatur als auch die Längskraft in der Faser 12 erfasst werden, können beispielsweise durch eine Einbausituation bedingte Längskräfte in der Faser 12 per Rechnung eliminiert werden, wodurch eine sichere und präzise Temperaturmessung realisiert werden kann.For example, temperature and force sensitivities of the respective measuring point, that is the respective, the respective fiber Bragg gratings 30 and 34 comprehensive sensor tandems 28 calibrated before installation. As by means of the respective sensor tandem 28 both the temperature and the longitudinal force in the fiber 12 can be detected, for example, by an installation situation-related longitudinal forces in the fiber 12 be eliminated by calculation, whereby a safe and accurate temperature measurement can be realized.

Die jeweiligen Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 des jeweiligen Sensortandems 28 bilden ein Gitter-Tandem, welches auch als FBG-Gitter-Tandem bezeichnet wird. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass sich die Faser-Bragg-Gitter 30 und 34 des jeweiligen Sensortandems 28 in ihrer jeweiligen Bragg-Wellenlänge voneinander unterscheiden, sodass beispielsweise das Faser-Bragg-Gitter 30 eine erste Bragg-Wellenlänge und das jeweilige Faser-Bragg-Gitter 34 eine von der ersten Bragg-Wellenlänge unterschiedliche zweite Bragg-Wellenlänge aufweist. Dabei beträgt ein Unterschied zwischen der ersten Bragg-Wellenlänge und der zweiten Bragg-Wellenlänge vorzugsweise mindestens fünf (5) Nanometer. Hierdurch kann eine besonders präzise Messung realisiert werden.The respective fiber Bragg grating 30 and 34 of the respective sensor tandem 28 form a grid tandem, which is also referred to as FBG grid tandem. It is preferably provided that the fiber Bragg gratings 30 and 34 of the respective sensor tandem 28 differ in their respective Bragg wavelength, so that, for example, the fiber Bragg grating 30 a first Bragg wavelength and the respective fiber Bragg grating 34 has a different from the first Bragg wavelength second Bragg wavelength. In this case, a difference between the first Bragg wavelength and the second Bragg wavelength is preferably at least five ( 5 ) Nanometers. As a result, a particularly precise measurement can be realized.

Claims (12)

Faseroptische Erfassungseinrichtung (10), mit wenigstens einer als Lichtleiter ausgebildeten Faser (12), welche wenigstens einen ersten Längenbereich (14) mit einem ersten Außenumfang und wenigstens einen sich in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) an den ersten Längenbereich (14) anschließenden zweiten Längenbereich (16) mit einem gegenüber dem ersten Außenumfang geringeren zweiten Außenumfang aufweist, mit wenigstens einer Schutzhülle (24), in welcher zumindest die Längenbereiche (14, 16) aufgenommen sind, und mit wenigstens einem Sensortandem (28), welches wenigstens ein in den ersten Längenbereich (14) eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter (30) und wenigstens ein in den zweiten Längenbereich (16) eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter (34) aufweist und dazu ausgebildet ist, an einer korrespondierenden Messstelle sowohl eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) wirkende Kraft zu erfassen.Fiber-optic detection device (10) having at least one fiber (12) designed as a light guide, which has at least a first longitudinal region (14) with a first outer circumference and at least one longitudinal direction (22) of the fiber (12) at the first longitudinal region (14). adjoining second longitudinal region (16) having a second outer circumference which is smaller than the first outer circumference, having at least one protective sheath (24) in which at least the longitudinal regions (14, 16) are received, and at least one sensor tandem (28) comprising at least one in the first length range (14) inscribed first fiber Bragg grating (30) and at least one in the second length range (16) inscribed second fiber Bragg grating (34) and is adapted to both a at a corresponding measuring point the measuring point prevailing temperature and at least one occurring at the measuring point and in the longitudinal direction ng (22) of the fiber (12) to detect force. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, mit einer elektronische Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein mittels der Faser (12) geführtes und die erfasste Temperatur und die erfassten Kräfte charakterisierendes Signal zu empfangen und einen Rechenprozess durchzuführen, bei welchem die Recheneinrichtung wenigstens einen Temperaturwert in Abhängigkeit von dem Signal berechnet.Fiber optic detection device (10) according to Claim 1 , with an electronic computing device, which is designed to receive a guided by the fiber (12) and the detected temperature and the detected forces characterizing signal and performing a computing process, wherein the computing device calculates at least one temperature value in response to the signal. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzhülle (24) aus einem nicht-metallischen Werkstoff, insbesondere Quarzglas, Polyimid, PEEK oder einem faserverstärkten Kunststoff, gebildet ist.Fiber optic detection device (10) according to Claim 1 or 2 wherein the protective cover (24) is made of a non-metallic material, in particular quartz glass, polyimide, PEEK or a fiber-reinforced plastic. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzhülle (24) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Edelstahl, gebildet ist.Fiber optic detection device (10) according to Claim 1 or 2 , wherein the protective cover (24) made of a metallic material, in particular of a stainless steel, is formed. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der metallische Werkstoff eine nickelhaltige warmfeste Legierung ist.Fiber optic detection device (10) according to Claim 4 , wherein the metallic material is a nickel-containing heat-resistant alloy. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längenbereiche (14, 16) durch jeweilige, separat voneinander ausgebildete Faserstücke (18, 20) gebildet sind, welche miteinander verbunden sind.Fiber-optic detection device (10) according to one of the preceding claims, wherein the length regions (14, 16) are formed by respective, separately formed fiber pieces (18, 20) which are interconnected. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Faserstücke (18, 20) miteinander verspleißt und dadurch miteinander verbunden sind.Fiber optic detection device (10) according to Claim 6 wherein the fiber pieces (18, 20) are spliced together and thereby joined together. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faser (12) lose in der Schutzhülle (24) angeordnet ist.A fiber optic sensing device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the fiber (12) is loosely disposed within the protective sheath (24). Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Faser (12) zumindest entlang ihrer Längserstreckungsrichtung (22) an der Schutzhülle (24), insbesondere stoffschlüssig, gesichert ist.Fiber optic detection device (10) according to one of Claims 1 to 7 , wherein the fiber (12), at least along its longitudinal direction (22) on the protective cover (24), in particular cohesively secured. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Längenbereich (14) einen Außendurchmesser von mindestens 125 Mikrometern aufweist.A fiber optic sensing device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the first length region (14) has an outer diameter of at least 125 microns. Faseroptische Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Längenbereich (16) einen Außendurchmesser von mindestens 80 Mikrometern aufweist.A fiber optic detector (10) according to any one of the preceding claims, wherein the second length region (16) has an outer diameter of at least 80 microns. Verfahren zum Betreiben einer faseroptischen Erfassungseinrichtung (10), mit wenigstens einer als Lichtleiter ausgebildeten Faser (12), welche wenigstens einen ersten Längenbereich (14) mit einem ersten Außenumfang und wenigstens einen sich in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) an den ersten Längenbereich (14) anschließenden zweiten Längenbereich (16) mit einem gegenüber dem ersten Außenumfang geringeren zweiten Außenumfang aufweist, mit wenigstens einer Schutzhülle (24), in welcher zumindest die Längenbereiche (14, 16) aufgenommen sind, und mit wenigstens einem Sensortandem (28), welches wenigstens ein in den ersten Längenbereich (14) eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter (30) und wenigstens ein in den zweiten Längenbereich (16) eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter (34) aufweist, wobei mittels des Sensortandems (28) an einer korrespondierenden Messstelle sowohl eine an der Messstelle herrschende Temperatur als auch wenigstens eine an der Messstelle auftretende und in Längserstreckungsrichtung (22) der Faser (12) wirkende Kraft erfasst werden.A method of operating a fiber optic detection device (10), comprising at least one fiber (12) formed as a light guide, which at least a first length region (14) with a first outer circumference and at least one in the longitudinal direction (22) of the fiber (12) to the first Length region (14) adjoining the second longitudinal region (16) having a second outer circumference which is smaller than the first outer circumference, having at least one protective covering (24) in which at least the longitudinal regions (14, 16) are accommodated, and having at least one sensor tandem (28). which has at least one first fiber Bragg grating (30) inscribed in the first length region (14) and at least one second fiber Bragg grating (34) inscribed in the second longitudinal region (16), wherein by means of the sensor tandem (28) At a corresponding measuring point, both a temperature prevailing at the measuring point and at least one at the measuring point occurring and in the longitudinal direction (22) of the fiber (12) acting force can be detected.
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