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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids. Es wird dabei eine Flussmessvorrichtung in einen Strom des Fluids eingebracht, die das Fluid mittels eines Heizelementes heizt. Vor, während und/oder im Anschluss an das Heizen wird die Temperatur des Fluids an der Position des Heizelementes oder einer unmittelbar benachbarten Position zeitabhängig gemessen und aus dem Temperaturverlauf und der Heizleistung oder einer Referenzmessung die lokale Flussgeschwindigkeit bestimmt.
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In vielen Bereichen der Technik ist es wichtig, die Flussgeschwindigkeit von Fluiden in Rohren, Leitungen oder Gefäßen bestimmen zu können. Beispielsweise lässt sich aus der Messung von Flussgeschwindigkeiten auf Verengungen in den entsprechenden Leitungen schließen, da Verengungen zu einer erhöhten Flussgeschwindigkeit führen. Häufig ist es vorteilhaft, derartige Messungen zeiteffektiv und mit möglichst geringer Beeinflussung des zu vermessenden Systems, also insbesondere des Durchflusses durch die Leitungen oder Rohre, zu ermöglichen. Gerade in engen Leitungen ist es vorteilhaft, die Messung mit Vorrichtungen ausführen zu können, die mit geringen Abmessungen realisiert werden können.
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Wünschenswert ist eine kontinuierliche Bestimmung der Flussgeschwindigkeit mit ausreichender räumlicher Auflösung und/oder Dynamik, beispielsweise für Flussgeschwindigkeiten bis zu einigen Metern pro Sekunde. Beispiele für solche Messungen sind Messungen in hydraulischen Aktoren, Rohrleitungen oder die Ermittlung von Stenosen in Blutgefäßen.
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Bekannte Verfahren nutzen beispielsweise Ultraschall, um mittels des Doppler-Effektes Flussgeschwindigkeiten zu bestimmen. Hier geben Frequenzverschiebungen zwischen dem emittierten Schall und dem in einen Sensor einfallenden Schall Aufschluss über die Flussgeschwindigkeit. Derartige Verfahren sind jedoch fehleranfällig und eignen sich nur für solche Situationen, in denen das Fluid für den Ultraschall zugänglich ist.
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Ein anderer Ansatz beruht auf der Bestimmung einer Druckdifferenz an einer Obstruktion. Hierdurch lassen sich vorrangig Geschwindigkeitsgradienten auswerten. Ein anderer Ansatz beruht auf Thermodilution. Hier kann eine Messflüssigkeit, zum Beispiel gekühlte Kochsalzlösung, in die Leitung injiziert werden oder das Fluid mit einem Heizelement erwärmt werden und dann mit einem in dem Fluid angeordneten Temperatursensor ein zeitlicher Verlauf des Temperaturgradienten bestimmt werden.
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Die
US 2013/0014577 A1 beschreibt einen Sensor zur Messung der Flussgeschwindigkeit eines Fluids. Der Sensor weist eine Licht absorbierende optische Faser auf, die ein Faser-Bragg-Gitter enthält. Licht wird in die Licht absorbierende optische Faser eingeleitet, um diese zu erhitzen.
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Die
US 2014/0243688 A1 Beschreibt einen optischen Sensor für die direkte Messung von Temperatur und Fluss eines Fluids, die als Katheter ausgestaltet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 012 229 B3 beschreibt eine Strömungsmessvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsrichtung eines Fluids. Die Strömungsmessvorrichtung weist ein von dem Fluid umströmbares Messelement mit mindestens einem Lichtwellenleiter und wenigstens zwei zum mindestens einen Lichtwellenleiter benachbart angeordneten elektrischen Heizelementen auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids anzugeben, die fehlerunanfällig ist und vorzugsweise auch unabhängig von der Flussrichtung des Fluids ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids nach Anspruch 1 sowie durch die Flussmessvorrichtung nach Anspruch 12. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids und der erfindungsgemäßen Flussmessvorrichtung an.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids angegeben. Ein solches Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Unter der Flussgeschwindigkeit kann hierbei jene Geschwindigkeit verstanden werden, mit der sich ein gegebenes Volumen innerhalb des Fluids bewegt.
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Erfindungsgemäß wird zur Messung eine Flussmessvorrichtung in einen Strom des Fluids zumindest teilweise eingebracht. Hier kommt es nur darauf an, dass jene für die Messung erforderlichen Komponenten der Flussmessvorrichtung in das Fluid eingebracht werden, während andere Komponenten, wie beispielsweise Bedien-, Steuerungs- oder Auswertekomponenten außerhalb des Fluids angeordnet sein können.
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Erfindungsgemäß weist die Flussmessvorrichtung zumindest eine Lichtleitfaser auf. Vorteilhaft kann die Lichtleitfaser eine Glasfaser sein, wobei sie auch eine Mehrzahl solcher Glasfasern enthalten kann. Vorteilhaft ist sie jedoch genau eine Glasfaser.
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Erfindungsgemäß weist die Lichtleitfaser zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) auf, das in oder auf der Lichtleitfaser eingebracht ist. Das Faser-Bragg-Gitter kann hierbei zur Detektion einer Temperatur am Ort des entsprechenden Faser-Bragg-Gitters verwendet werden. Vorzugsweise ist das Faser-Bragg-Gitter so hergestellt, dass die Gitterabstände temperaturabhängig sind. Da normalerweise die Lichtleitfaser ihre Ausdehnung mit der Temperatur materialbedingt ändert, ergibt sich diese Temperaturabhängigkeit normalerweise von selbst. Auch sind die Brechungsindizes des FBG normalerweise temperaturabhängig. Durch die Temperaturabhängigkeit der Gitterabstände und der Brechungsindizes ändert sich das Interferenzmuster eines Lichtstrahls, der an dem Faser-Bragg-Gitter reflektiert wird, was zu einer Frequenzverschiebung der maximalen Intensität führt. Daher kann aus der Frequenz der maximalen Intensität des reflektierten Lichts auf die Temperatur am Ort des Faser-Bragg-Gitters geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß ist außerdem zumindest ein Heizelement bei, an oder in der Lichtleitfaser angeordnet. Ist das Heizelement bei der Lichtleitfaser angeordnet, so kann es z. B. eine von der Lichtleitfaser verschiedene Vorrichtung sein, die an dem gewünschten Ort angeordnet wird. Beispielsweise kann das Heizelement durch eine gesonderte Lichtleitfaser gebildet sein, die ein absorbierendes Element aufweist. Das absorbierende Element kann dann bei einem gewünschten Ort an der das Faser-Bragg-Gitter aufweisenden Lichtleitfaser angeordnet sein. Ist das Heizelement an der Lichtleitfaser angeordnet, welche das Faser-Bragg-Gitter aufweist, so kann das Heizelement beispielsweise ein absorbierendes Element sein, das unmittelbar an, also beispielsweise auf der Oberfläche dieser Lichtleitfaser angeordnet ist. In diesem Fall kann beispielsweise also Licht durch die das Faser-Bragg-Gitter aufweisende Lichtleitfaser zu dem absorbierenden Element geleitet werden, welches sich durch die Absorption erwärmt. Das zumindest eine Heizelement kann auch in der Lichtleitfaser eingebracht sein, beispielsweise durch Dotierung der Lichtleitfaser. In diesem Fall bewirkt die Dotierung eine Absorption von Licht in der Lichtleitfaser und erwärmt diese dadurch am Ort der Dotierung.
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Erfindungsgemäß sollen das Heizelement und das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter an der gleichen Position oder an zueinander unmittelbar benachbarten Positionen entlang einer Längsrichtung der Lichtleitfaser angeordnet sein. Da Lichtleitfasern normalerweise länglich ausgebildet sind, haben sie eine klar definierte Längsrichtung. Die genannte Position soll die Position in dieser Längsrichtung sein. In den hierzu senkrechten Richtungen, also jenen Richtungen, welche auf die Oberfläche der Lichtleitfaser gerichtet sind, können das Faser-Bragg-Gitter und das Heizelement unterschiedlich zueinander orientiert sein. Beispielsweise kann das Heizelement an der Oberfläche angeordnet sein und das Faser-Bragg-Gitter in der Lichtleitfaser eingebracht sein. Das Heizelement kann auch ebenfalls in der Lichtleitfaser angeordnet sein oder durch ein zusätzliches Element bei der Lichtleitfaser an der Position des Faser-Bragg-Gitters oder der benachbarten Position gebildet werden. Die Position entlang der Längsrichtung der Lichtleitfaser kann also als eindimensionaler Abstand von einem Referenzpunkt entlang der Lichtleitfaser angegeben werden.
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Positionen sollen vorteilhaft dann als unmittelbar benachbart angesehen werden, wenn sie unmittelbar aneinandergrenzen. Geht man beispielsweise davon aus, dass das Faser-Bragg-Gitter und das Heizelement eine gewisse Ausdehnung in Richtung der Längsrichtung der Lichtleitfaser haben, so können sie dann als unmittelbar benachbart angesehen werden, wenn die Projektionen des Heizelementes und des Faser-Bragg-Gitters auf eine Mittelachse der Lichtleitfaser unmittelbar, also mit einem Abstand von Null zueinander, aneinandergrenzen oder einen kleinen Abstand von beispielsweise weniger als 1 cm, vorzugsweise von weniger als 0,5 cm zueinander haben. Als Mittelachse der Lichtleitfaser kann hier, beispielsweise im Falle einer zylinderförmigen Lichtleitfaser, die Zylinderachse oder eine Mittelachse angesehen werden, wobei auch bei einer biegbaren Lichtleitfaser vom geraden Zustand der Lichtleitfaser ausgegangen wird.
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Erfindungsgemäß wird das Heizelement mit einer bestimmten Heizleistung geheizt. Als Heizleistung kann hier beispielsweise die Energie pro Zeit angesehen werden, die am Heizelement in Wärme umgewandelt wird.
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Es wird dann vor, während und/oder im Anschluss an das Heizen des Heizelementes Licht durch die Lichtleitfaser zu dem Faser-Bragg-Gitter geleitet. Das Faser-Bragg-Gitter reflektiert dieses Licht. Das von dem Faser-Bragg-Gitter reflektierte Licht wird detektiert. Da, wie beschrieben, der Gitterabstand des Faser-Bragg-Gitters abhängig ist von der Temperatur der Lichtleitfaser am Ort des Faser-Bragg-Gitters, kann aus dem detektierten Licht auf die Temperatur des Fluids am Ort des Faser-Bragg-Gitters geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird diese Temperatur zeitabhängig bestimmt, also zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkten.
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Die beschriebene Messung vor dem Heizen kann optional verwendet werden, um einen Referenzwert der Temperatur zu bestimmen. Aus der Messung vor dem Heizen ergibt sich eine Temperatur des Fluids im ungeheizten Zustand. Wird dann das Heizen mittels des Heizelementes gestartet, so verändert sich die Temperatur des Fluids am Ort des Heizelementes, wobei die Temperaturveränderung abhängig ist von der Flussgeschwindigkeit. Aus dem Vergleich der vor dem Heizen bestimmten Referenztemperatur und der während dem Heizen bestimmten Temperatur kann also auf die Flussgeschwindigkeit geschlossen werden.
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Es ist aber auch ausreichend, nur während des Heizens Licht durch die Lichtleitfaser zu dem Faser-Bragg-Gitter zu leiten, also die Temperatur nur während des Heizens zu bestimmen. Während des Heizens wird eine bestimmte Heizleistung, also eine bestimmte Energiemenge pro Zeit, durch das Heizelement in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird durch das Fluid abgeführt, wobei die pro Zeit abgeführte Wärmemenge abhängig ist von der Flussgeschwindigkeit des Fluids. Damit hängt auch die Temperatur, die sich während des Erwärmens im Fluid am Ort des Heizelementes und damit des Faser-Bragg-Gitters einstellt, ab von der Flussgeschwindigkeit am Ort des Faser-Bragg-Gitters. Aus der so gemessenen Temperatur kann also die lokale Flussgeschwindigkeit am Ort des Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß kann daher die lokale Flussgeschwindigkeit bestimmt werden aus dem Temperaturverlauf und der Heizleistung und/oder aus dem Temperaturverlauf und einer Referenztemperatur, die beispielsweise jene Temperatur sein kann, die das Fluid hat, wenn es nicht geheizt wird.
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Dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren die lokale Geschwindigkeit am Ort des Faser-Bragg-Gitters bestimmt, kann das Verfahren auch in Fluiden verwendet werden, die nicht in einer Leitung oder Ähnlichem strömen. Beispielsweise kann das Verfahren auch zur Messung einer Windgeschwindigkeit oder einer Wassergeschwindigkeit in einem Gewässer eingesetzt werden.
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Die Erfindung verwendet das Phänomen der Thermokonvektion oder auch thermischen Anemometrie. Hier wird die Korrelation zwischen der durch das bewegte Fluid abgeführten Wärmemenge (dQ/dt) und der Flussgeschwindigkeit ausgenutzt. Der Zusammenhang ergibt sich dadurch, dass durch Heizen eine bestimmte Wärmeleistung in das Fluid eingebracht wird, die durch das Fluid abhängig von der Flussgeschwindigkeit abgeführt wird. Je mehr Wärme pro Zeit durch das Fluid abgeführt wird, desto weniger erhöht sich durch die vorgegebene Heizleistung die Temperatur des Fluids. Aus der gemessenen Temperatur kann daher auf die Flussgeschwindigkeit geschlossen werden.
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Die Grundlagen von optischen Sensoren und deren Anwendungsgebiete werden zum Beispiel ausführlich beschrieben in Lee, Byoungho (2003): Review of the present status of optical fiber sensors. In: Optical Fiber Technology 9 (2), S. 57-79. DOI: 10.1016/51068-5200(02)00527-8
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Licht, welches durch die Lichtleitfaser zum Faser-Bragg-Gitter geleitet wird, Wellenlängen eines Wellenlängenbereiches mit einer Breite von größer als Null enthalten. Bevorzugterweise kann der Wellenlängenbereich zumindest jene Wellenlängen enthalten, bei denen das Faser-Bragg-Gitter im zu erwartenden Temperaturbereich reflektiert, also alle Wellenlängen, die bei den zu erwartenden Temperaturen durch das Faser-Bragg-Gitter reflektiert würden.
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Es ist dann möglich, eine Wellenlänge des von dem Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichtes zumindest zu einem, vorzugsweise zumindest zu zwei Zeitpunkten des zeitlichen Verlaufs zu messen. Da die Wellenlänge des reflektierten Lichtes abhängig ist von dem Gitterabstand des Faser-Bragg-Gitters und damit von der Temperatur, kann aus der gemessenen Wellenlänge auf die aktuelle Temperatur des Fluids am Ort des Faser-Bragg-Gitters zu dem entsprechenden Zeitpunkt geschlossen werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass vorteilhaft der Zusammenhang zwischen der durch das Faser-Bragg-Gitter reflektierten Wellenlänge und der Temperatur am Ort des Faser-Bragg-Gitters durch Vorabkalibrierung hergestellt werden kann und dann für die Messung aus einer auf diese Weise erstellten Tabelle abgelesen werden kann. Anstelle einer Tabelle können aus der Kalibrierung auch Parameter einer, beispielsweise linearen, Funktion ermittelt werden, welche die Wellenlänge des reflektierten Lichtes einer Temperatur zuordnet. In entsprechender Weise kann vorteilhaft auch der Zusammenhang zwischen der ermittelten Temperatur und der lokalen Flussgeschwindigkeit durch entsprechende Kalibrierung hergestellt werden, die ebenfalls in Form einer Tabelle oder einer geeigneten Funktion mit kalibrierten Parametern eingestellt werden kann. Es ist auch möglich, direkt durch Kalibrierung einen Zusammenhang zwischen der reflektierten Wellenlänge und der Flussgeschwindigkeit am Ort des Faser-Bragg-Gitters herzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Flussmessvorrichtung eine Mehrzahl an entlang der Längsrichtung der Lichtleitfaser an unterschiedlichen Orten angeordnete Faser-Bragg-Gitter aufweisen, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlängen reflektieren. Vorzugsweise reflektiert jedes dieser Faser-Bragg-Gitter Licht anderer Wellenlängen. Es kann dann das durch die Lichtleitfaser geleitete Licht jene Wellenlängen enthalten, bei denen die Faser-Bragg-Gitter reflektieren. Da die Faser-Bragg-Gitter vorteilhaft abhängig von der Temperatur am Ort des entsprechenden Faser-Bragg-Gitters unterschiedliche Wellenlängen reflektieren, ist es besonders bevorzugt, wenn das in die Lichtleitfaser eingestrahlte Licht die Wellenlängenbereiche enthält, bei denen die Faser-Bragg-Gitter bei den zu erwartenden Temperaturen reflektieren.
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Aus den reflektierten Wellenlängen kann dann auf die Temperatur des Fluids an den Orten der Faser-Bragg-Gitter geschlossen werden. Überschneiden sich die Wellenlängenbereiche nicht, an denen die unterschiedlichen Faser-Bragg-Gitter reflektieren, so ist für jede der reflektierten Wellenlängen eindeutig bestimmt, von welchem Faser-Bragg-Gitter sie stammt. Es ist also eindeutig festgelegt, von welchem Ort die Temperaturmessung stammt.
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Vorteilhafterweise kann das von dem oder den Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht spektral zerlegt werden. Es kann dann aus den im Spektrum enthaltenen Frequenzen des Lichts auf die Temperatur oder die Temperaturen am Ort oder den Orten des oder der Faser-Bragg-Gitter geschlossen werden. Dies ermöglicht eine einfache Messung, da das Spektrum des Lichtes gerade die Temperaturverteilung über die Faser-Bragg-Gitter widerspiegelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem auch die Flussrichtung des Fluids bestimmt werden. Die Flussrichtung kann aus der Verteilung der Temperaturen an den an unterschiedlichen Orten angeordneten Faser-Bragg-Gittern bestimmt werden. Es wird dabei jenes Faser-Bragg-Gitter eine Temperaturerhöhung erfahren, welches stromabwärts vom Heizelement angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auch eine Regelung der Heizleistung erfolgen. Es wird dabei die Heizleistung vorteilhaft so eingestellt, dass sich eine im zeitlichen Verlauf konstante Temperatur an dem Faser-Bragg-Gitter ergibt. Aus der eingestellten Heizleistung kann dann die lokale Flussgeschwindigkeit am Ort des Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass, um eine konstante Temperatur zu erzielen, die eingestellte Heizleistung umso größer sein muss, je höher die Flussgeschwindigkeit ist.
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Vorteilhafterweise kann das in die Lichtleitfaser eingestrahlte Licht durch einen oder mehrere Laser erzeugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch die Ermittlung eines Geschwindigkeitsprofils entlang der Lichtleitfaser ermöglichen. Unter einem Geschwindigkeitsprofil soll hierbei die Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Ort entlang der Lichtleitfaser verstanden werden. Es können hierzu mehrere der Heizelemente bei, an oder in der Lichtleitfaser angeordnet sein. Dabei können die Heizelemente an unterschiedlichen Orten entlang der Faser angeordnet sein. Es kann dann am Ort oder angrenzend an den Ort jedes der Heizelemente jeweils eines der Faser-Bragg-Gitter angeordnet sein. Es können so, wie im oben beschriebenen Fall mehrerer Faser-Bragg-Gitter, die Flussgeschwindigkeiten an den Orten der mehreren Heizelemente bestimmt werden, woraus sich ein Geschwindigkeitsprofil entlang der Längsrichtung der Lichtleitfaser ergibt
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtleitfaser zumindest oder genau zwei der Heizelemente aufweisen, wobei am Ort jedes der Heizelemente eines der Faser-Bragg-Gitter angeordnet ist. Diese können, wie oben für den Fall mehrerer Faser-Bragg-Gitter beschrieben, ausgelesen werden. Es können dabei Wärmeübergangswiderstände der beiden Heizelemente zum Fluid unterschiedlich eingestellt werden. Als Wärmeübergangswiderstand kann hierbei der Kehrwert der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit vom Heizelement ins Fluid übertragenen Wärmemenge angesehen werden.
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Durch den unterschiedlichen Wärmeübertragungswiderstand ergibt sich eine unterschiedliche Änderung der Temperatur an den beiden Heizelementen. Aus dem Unterschied in der Änderung der Temperatur an den beiden Heizelementen kann dann auf die Flussgeschwindigkeit geschlossen werden. Beispielsweise kann eine Lichtleitfaser mit zwei identischen Heizelementen (HA, HB) und zwei identischen Faser-Bragg-Gittern (FBGA, FBGB) ausgestattet sein, die an zwei unterschiedlichen Orten (A, B) entlang der Faser angeordnet sind.
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Dann kann beispielsweise der zweite Ort eine Ummantelung oder Lackierung oder eine Isolierung als zusätzlichen Wärmeübergangswiderstand ins Fluid aufweisen. Aus dem Unterschied der beiden Messstellen A und B kann dann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Heizleistung, mit welcher das Heizelement heizt, an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden. Wird beispielsweise der Betrag einer Differenz zwischen der am Ort des Faser-Bragg-Gitters gemessenen Temperatur und einer Referenztemperatur, die hier eine Temperatur des Fluids ohne Heizen sein kann, kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert, so kann die Heizleistung erhöht werden. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit auch bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten erhalten werden. Wird andererseits diese Differenz größer als ein vorgegebener oberer Schwellenwert, so kann die Heizleistung verringert werden. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit auch bei geringen Flussgeschwindigkeiten erhalten werden. Vorteilhafterweise werden dabei die Heizleistungen jeweils angepasst, dass die Temperaturdifferenzen wieder im Sollbereich liegen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, ein Geschwindigkeitsprofil entlang eines Pfades in dem strömenden Fluid zu vermessen. Hierzu kann eine Position der Lichtleitfaser zumindest einmal, vorzugsweise eine Vielzahl von Malen, verändert werden und dann die lokale Flussgeschwindigkeit des Fluids vor und nach der zumindest einen Veränderung der Position bzw. an jeder der Positionen gemessen werden. Hierdurch ergibt sich ein Geschwindigkeitsprofil der Flussgeschwindigkeiten entlang des Pfades, entlang dem das Faser-Bragg-Gitter der Lichtleitfaser mit der Lichtleitfaser verschoben wurde.
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Als Referenztemperatur kann hier die Temperatur am Faser-Bragg-Gitter vor Beginn des Heizens angesehen werden oder aber auch eine Temperatur an einem anderen vom Faser-Bragg-Gitter beabstandeten Ort während des Heizens, wobei vorzugsweise dieser Ort nicht durch das Heizen erwärmt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Temperaturverteilung oder Geschwindigkeitsverteilung mit einer prädizierten bzw. simulierten Temperaturverteilung verglichen werden. Die simulierte oder prädizierte Temperaturverteilung kann hierbei vorteilhaft einen Normalzustand darstellen, so dass sich aus dem Vergleich Abweichungen ergeben, die auf eine Abweichung vom Normalzustand hindeuten. Auf diese Weise ist es möglich, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Obstruktionen festzustellen, die im Soll-Zustand nicht vorhanden sein sollen. Der Vergleich kann hierbei zwischen dem zeitlichen Temperaturverlauf an einem Heizelement mit einem entsprechend zeitlichen Soll-Temperaturverlauf erfolgen oder auch zwischen einem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessenen Geschwindigkeitsprofil entlang der Lichtleitfaser oder der Fluidleitung mit einem entsprechenden vorgegebenen Soll-Geschwindigkeitsprofil.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Position, an der das Heizelement angeordnet ist, beabstandet sein von den Enden der Lichtleitfaser. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Messung ungestört ist von lokalen Turbulenzen, die durch das Ende der Lichtleitfaser erzeugt werden könnten. Es ergibt sich hierdurch also eine genauere Messung.
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Das Heizelement kann in einer vorteilhaften Variante als elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet sein, die am Ort des zumindest einen Faser-Bragg-Gitters einen erhöhten elektrischen Widerstand hat. Vorteilhaft wird hier der Ort des erhöhten elektrischen Widerstands als Heizelement angesehen. Ein solches Heizelement kann also durch Anlegen einer elektrischen Spannung geheizt werden.
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Es ist auch möglich, dass das Heizelement durch Lichtabsorption heizt. Es kann dann das Heizelement vorteilhaft eine Stör- oder Austrittsstelle für Licht aufweisen sowie ein absorbierendes Element. Die Flussmessvorrichtung kann dann außerdem zumindest eine Lichtquelle für Licht aufweisen, dessen Wellenlänge so eingestellt ist, dass es an der Stör- oder Austrittsstelle austritt und durch das absorbierende Element absorbiert wird. Durch die Absorption erwärmt sich also das absorbierende Element und wirkt heizend auf das Fluid. Dabei ist es bevorzugt, wenn das absorbierende Element in Kontakt mit dem Fluid ist. Es ist weiter bevorzugt, wenn sich die Wellenlänge des Lichtes, das aus der Austrittsstelle austritt, von den Wellenlängen unterscheidet, die durch das oder die Faser-Bragg-Gitter reflektiert werden. Auf diese Weise lässt sich das Heizen unabhängig von der Temperaturmessung realisieren.
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Die Stör- oder Austrittsstelle kann vorteilhaft eine Erweiterung eines Kerns der Lichtleitfaser sein. Auch ist es möglich, die Stör- oder Austrittsstelle als einen Versatz zwischen zwei Abschnitten eines Faserkerns der Lichtleitfaser zu realisieren. Die Stör- oder Austrittsstelle kann auch durch eine periodische Änderung eines Brechungsindexes des Faserkerns der Lichtleitfaser bzw. durch ein Long-Period-Grating, LPG, realisiert sein.
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Die Austrittstelle kann auch an einem speziellen strukturierten Faserende sein, das so ausgelegt ist, dass möglichst viel Licht vom absorbierenden Element absorbiert werden kann. Die spezielle Strukturierung ist hierbei bevorzugt ein Schnitt des Faserendes in einem spezifischen Winkel oder ein aufgerautes Faserende oder ein abgerundetes Faserende. In diesem Fall würde das absorbierende Element das Faserende überziehen.
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Das absorbierende Element kann beispielsweise ein Metallfilm, vorzugsweise ein inertes Metall aufweisend, sein oder eine Auflegung von Nanopartikeln. Der Metallfilm bzw. die Nanopartikel können dann zum Beispiel auf der Oberfläche der Faser aufgebracht sein, durch welche das zum Heizen verwendete Licht geleitet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Flussmessvorrichtung außerdem zumindest einen Katheter und/oder zumindest einen Führungsdraht zum Führen der Lichtleitfaser aufweisen. In diesem Katheter kann also die Lichtleitfaser verlaufen. Es ist auch optional möglich, dass weitere Komponenten, wie beispielsweise zur Energieversorgung des Heizelementes, in einem solchen Katheter bzw. diesem Katheter geführt werden. Der Katheter kann dabei so ausgestaltet sein, dass das Heizelement und das Faser-Bragg-Gitter in Kontakt stehen zum zu vermessenden Fluid.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lichtleitfaser dort, wo das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, eine erhöhte Steifigkeit gegenüber solchen Bereichen aufweisen, die kein Faser-Bragg-Gitter aufweisen. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden, da verhindert wird, dass der Gitterabstand des Faser-Bragg-Gitters durch Krümmung der Lichtleitfaser verändert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtleitfaser eine Multi-Core-Faser sein mit einer Mehrzahl an Kernen, wobei besonders bevorzugt zumindest zwei, vorzugsweise alle, der Kerne zumindest ein Faser-Bragg-Gitter aufweisen.
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Das Heizelement kann auch durch eine Dotierung der Lichtleitfaser hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist mittels der Flussmessvorrichtung das vorstehend beschriebene Verfahren ausführbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung mit Bezugnahme auf einige Figuren beispielhaft erläutert werden. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können dabei auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter den verschiedenen Beispielen kombiniert werden.
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Es zeigt
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Flussmessvorrichtung und
- 2 einen Temperaturunterschied zu einer Referenztemperatur für unterschiedliche Flussgeschwindigkeiten eines Fluids bei konstanter Heizleistung.
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Flussmessvorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung einer lokalen Flussgeschwindigkeit eines Fluids ausführbar ist. Die Flussmessvorrichtung weist eine Lichtleitfaser 1 auf, an der im gezeigten Beispiel drei Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c angeordnet sind. An einem Ende der Lichtleitfaser 1 ist die Lichtleitfaser 1 mit einem Silberfilm 3 als Heizelement 3 überzogen. Das Faser-Bragg-Gitter 2c ist an der gleichen Position wie das Heizelement 3 angeordnet. Die Lichtleitfaser 1 wird im gezeigten Beispiel durch einen Katheter 4 geführt. Dabei verläuft die Lichtleitfaser 1 im Inneren des Katheters 4. Dort jedoch, wo die Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c vorgesehen sind, liegt der Katheter 4 nicht vor, so dass die Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c mit umgebendem Fluid bzw. dem Heizelement 3 in Kontakt treten können. Das Faser-Bragg-Gitter 2c, welches am Ort des Heizelementes 3 angeordnet ist, kann auch von dem Heizelement vollständig umgeben sein. Das Heizelement 3 ist hier jedoch ebenfalls nicht vom Katheter 4 umgeben, so dass ein Wärmetransport von dem Heizelement 3 in umgebendes Fluid möglich ist. Das Heizelement 3 umgibt im gezeigten Beispiel das Ende der Lichtleitfaser 1 vollständig. Das Ende der Faser kann hier gebrochen sein und dann mit dem Silberfilm 3 überzogen sein.
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Die Lichtleitfaser 1 ist an ihrem dem Heizelement abgewandten Ende an einen optischen Koppler 5 angeschlossen, über dem von einem Heizlaser 6 ausgehendes Laserlicht in die Faser eingekoppelt wird. Das vom Heizlaser 6 ausgehende Licht trifft am anderen Ende der Faser 1 auf das Heizelement 3, wird dort absorbiert und wärmt auf diese Weise das Heizelement 3. Der optische Koppler 5 ist außerdem an einen Zirkulator 7 angeschlossen, der jenes Licht, das in die Glasfaser 1 eingestrahlt wird, von Licht trennt, das aus der Glasfaser 1 zurückreflektiert wird. Der Koppler 5 koppelt das Licht aus dem Zirkulator 7 bidirektional auf die Gleitfläche und koppelt zusätzlich unidirektional das Licht des Heizlasers 6 auf die Glasfaser 1. Der Zirkulator 7 ist zum einen an eine Lichtquelle 8 gekoppelt, von welcher Licht zum Auslesen der Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c in den Zirkulator eingestrahlt wird und von diesem zum optischen Koppler 5 weitergeleitet wird. Zum anderen ist der Zirkulator an ein Spektrometer 9 angeschlossen, das das von den Faser-Bragg-Gittern 2a, 2b, 2c reflektierte Licht empfängt und in seine spektralen Komponenten aufteilt. Aus den spektralen Komponenten kann dann die Flussgeschwindigkeit am Ort der Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c bestimmt werden.
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Das Faser-Bragg-Gitter 2c misst hier die Temperatur des Silberfilms 3. Die Faser-Bragg-Gitter 2a und 2b können entweder als Referenz dienen oder können je nach Flussrichtung zusätzlich vom Silberfilm 3 geheizt werden und so als Indikator für die Flussrichtung des Fluids dienen.
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Die Erfindung verwendet hier den Effekt der Anemometrie, wobei die Faser-Bragg-Gitter 2a, 2b, 2c als Temperatursensoren verwendet werden.
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Dabei ändert sich die Gitterkonstante eines FBGs mit der Temperatur und damit auch die Wellenlänge der an diesem Gitter (Abmessung wenige mm) reflektierten Lichtes. Bei der Verwendung entsprechend breitbandiger Lichtquellen können mehrere FBGs mit unterschiedlichen zentralen Wellenlängen an unterschiedlichen Stellen in der gleichen Faser verwendet werden. Die eigentliche Auslesung der Wellenlänge der FBG und die daraus abgeleitete Temperaturmessung kann vorteilhaft über zwei Arten erfolgen. Entweder mit einem Laser, dessen Wellenlänge verstimmt werden kann und einem Photodetektor oder mit einer breitbandigen Lichtquelle und einem Spektrometer. 1 zeigt den zweiten Fall.
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Bei der Heizstelle 3 sind verschiedene Implementierungen möglich, die auch alle eigene Auslegungen der Erfindung darstellen können. Generell kann die Heizstelle elektrisch oder optisch geheizt werden. Vorteilhaft wird die Heizstelle möglichst nah (thermisch gut angekoppelt) an wenigstens einem der Temperatursensoren angebracht. Vorteilhaft für die Bestimmung eines Geschwindigkeitsgradienten entlang eines Gefäßes ist die Einbringung mehrerer Heizstellen entlang einer Faser.
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Im Fall der elektrischen Heizstelle können elektrisch leitende Strukturen in die Faser oder außen auf die Glasfaser aufgebracht werden. Durch eine Variation des elektrischen Widerstands können eine oder mehrere lokale Heizelemente realisiert werden.
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Die optische Heizquelle 3 setzt sich im Beispiel aus drei Komponenten zusammen: erstens einer optischen Energiequelle 6, die in den Faserkern eingekoppelt wird, zweitens einer Stör- oder Austrittsstelle, an der das Licht aus dem Faserkern austritt, und drittens dem eigentlichen Heizelement 3, an dem die Strahlung absorbiert und in Wärme konvertiert wird. Diese ist vorzugsweise räumlich begrenzt und lässt sich beispielweise durch eine lokale Beschichtung der Faser mit einem absorbierenden Material realisieren.
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Als optische Heizquelle 6 kommt vorzugsweise ein Laser 6 zum Einsatz, der verwendete Heizlaser 6 hat dabei vorzugsweise eine andere Wellenlänge als das Licht zum Messen der FBGs 2a, 2b, 2c aufweisen, um Messfehler zu verhindern.
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Die eigentliche Austrittsstelle kann auf diverse Weisen realisiert werden, wobei jede der genannten Realisierungen eine Möglichkeit der Erfindung darstellt. Die erste Möglichkeit liegt darin, eine lokale Störstelle in den Faserkern einzubringen, entweder durch Aufweiten des Kerns (Uptaper) oder durch einen Versatz zwischen zwei Abschnitten des Faserkerns (Core-Offset). Die zweite Möglichkeit liegt in der Verwendung von periodischen Brechungsindexänderungen im Faserkern, in diesem Fall z. B. durch die Verwendung eines Long-Period-Grating (LPG), die eine Kernmode in eine Mantelmode konvertieren können. Die dritte Möglichkeit liegt in der Verwendung des Faserendes als Austrittsstelle. Hierbei kann das Faserende spezifisch strukturiert werden, um möglichst viel Licht auf das Heizelement 3 treffen zu lassen. Das Faserende kann aufgeraut werden, in einem spezifischen Winkel geschnitten werden oder abgerundet oder zugespitzt werden oder durch eine zusätzliche Struktur, z.B. eine Kugel, ergänzt werden.
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Die zu heizende Beschichtung 3 kann diverse Materialen aufweisen. In einer Auslegung der Erfindung kann ein dünner Metallfilm verwendet werden, bevorzugt aus einem inerten Metall. In einer weiteren Auslegung der Erfindung können Nanopartikel verwendet werden, die von dem verwendeten Heizlaser zur Plasmonenschwingungen angeregt werden und sich dadurch stark erhitzen lassen. Eine weitere Ausführungsform ist die lokale Dotierung der Glasfaser 1 oder die Verwendung von optischen Resonatoren.
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Es kann sich eine einzelne Temperaturmessstelle 2c unter einer Heizstelle 3 befinden, um nur die lokale Temperatur der Heizstelle 3 zu messen oder es können sich benachbart noch weitere Temperaturmessstellen 2a, 2b befinden. Hieraus kann beispielsweise auf die Flussrichtung geschlossen werden oder die anderen Messstellen 2a, 2b können als Referenz dienen.
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Als mechanische Führungshilfe 4 kommen z. B. für eine intravaskuläre Anwendung Katheter 4 oder Führungsdrähte zum Einsatz. Bei Verwendung eines Katheters 4 wird die Glasfaser 1 ggf. mit extra Schutzhülle (Sleeve) in den Katheter 4 geschoben. Im Fall eines Führungsdrahts wird die Glasfaser auf dem Führungsdraht angebracht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, Teile der Faser 1 röntgendicht zu gestalten (z. B. durch Sleeve oder Beschichtung) um diese während des Einsatzes in einer CT-Aufnahme identifizieren zu können.
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2 zeigt die Differenz der durch das Faser-Bragg-Gitter, beispielsweise das Faser-Bragg-Gitter 2c in 1, gemessenen Temperatur und einer Referenztemperatur. Die Referenztemperatur kann beispielsweise die Temperatur des Fluids ohne Einwirkung von Heizen sein. Die genannte Temperaturdifferenz ist aufgetragen in Abhängigkeit von der lokalen Fließgeschwindigkeit des Fluids. Der Massenfluss des Fluids geht mit einem Wärmefluss einher. Die Wärme wird von der Heizstelle 3 weggetragen, wodurch diese sich abkühlt. Aus 2 ist zu erkennen, dass die Temperaturdifferenz zu höheren Flüssen hin abnimmt und sich mit steigender Fließgeschwindigkeit asymptotisch an 0 K annähert. Um höhere Flüsse messen zu können, ist es vorteilhaft, die Heizleistung zu erhöhen. Beispielsweise kann die Heizleistung erhöht werden, wenn die Temperaturdifferenz zu klein wird. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann auch die Temperatur an der Heizstelle 3 konstant gehalten werden und die Heizleistung entsprechend variiert werden. Die Fließgeschwindigkeit kann dann aus der aufzubringenden Heizleistung ermittelt werden. Auch hier zeigt sich ein asymptotisches Verhalten bei höheren Flussgeschwindigkeiten.
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In einer weiteren beispielhaften Auslegung des Verfahrens wird die Temperaturänderung an zwei benachbarten Heizstellen 3 gemessen, wobei sich diese jeweils hinsichtlich ihres Wärmeübergangswiderstandes zum Fluid unterscheiden. Durch den Unterschied in der Temperaturänderung kann auf den Wärmefluss in das umgebende Medium geschlossen werden und dadurch auf den Fluss.
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In einer weiteren Auslegung des Verfahrens kann über zur Heizstelle 3 benachbarte FBGs 2a, 2b auf die Flussrichtung geschlossen werden. Durch weitere FBGs kann die Form der durch den Fluss verzerrten Wärmeglocke über der Heizstelle ermittelt werden und daraus die Flussgeschwindigkeit bestimmt werden, z.B. durch das Bilden von Verhältnissen der an den FBGs gemessenen Temperatur.
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Um eine räumlich Auflösung der Flussgeschwindigkeiten in einem Rohr oder Gefäß zu bestimmen und damit eine Blockade oder Stenose zu lokalisieren und bewerten (Schweregrad) zu können, sind z. B. zwei Verfahren möglich. Erstens besteht die Möglichkeit, die Faser 1 nach jeder Messung ein Stück zurückzuziehen oder vorzuschieben und erneut zu messen. Zweitens besteht die Möglichkeit, über die verschiedenen in der Faser angebrachten Heizstellen 3 und Temperaturmessstellen 2a, 2b, 2c die Flussgeschwindigkeit entlang der Faser an mehreren Orten simultan zu bestimmen.
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Zur Kompensation und als Referenzmessung kann es hilfreich sein, weitere reine Temperaturmessstellen vorzusehen. Hierbei kann eine Biegung der Glasfaser zu unerwünschten Artefakten führen, da die Biegung ebenfalls die Gitterkonstante der FBG ändert. Um dies zu verhindern oder zu kompensieren sind verschiedene Verfahren bzw. Vorrichtungsänderungen möglich. Die Stelle für die Referenzmessung kann versteift sein, um den Biegeradius zu reduzieren. Weiterhin kann die Glasfaser 1 als Multi-Core ausgelegt sein, wobei jeder Kern FBGs enthält. Da die Kerne räumlich nebeneinander angeordnet sind, erfährt jeder Kern bei Biegung unterschiedliche Biegeradien. Durch den bekannten Abstand der Kerne zu einander kann das Signal durch die Biegung kompensiert werden und die absolute Temperatur an der Stelle bestimmt werden. Weiter ist es möglich, im Rahmen eines Kathetertracking und einer vorher erfolgten Registrierung auf eine CT-Aufnahme zu bestimmen, wie stark die Faser an welcher Stelle gebogen ist.
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Das Verfahren ist auf verschiedene Situationen anwendbar. Generell können Flussgeschwindigkeiten in Rohrleitungen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessen werden. Auch ist es möglich, die Geschwindigkeit von Blutfluss in Blutgefäßen zu ermitteln, um auf eventuell vorhandene Stenosen zu schließen. Das Verfahren wird jedoch vorzugsweise nicht diagnostisch und nicht therapeutisch angewandt.
