DE10242205B4 - Method and device for spatially extended detection of operating states - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine Strahlung in wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45) ausgesandt wird, mittels einer ersten Messkanalbaugruppe (14) die von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierte Strahlung erfasst wird, und über zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45) erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei über wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) eine Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst wird, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.Method for detecting operating conditions over a spatially extended region, in which radiation is emitted by at least one first radiation source (38) into at least one elongated optical medium (45), by means of a first measuring channel assembly (14) which is emitted by the at least one radiation source (38 ) is detected, and at least two measuring channel assemblies (11, 12) a reflection of a first and a second spectrum from the optical medium (45) is detected, wherein the wavelength of the first and / or second spectrum of the wavelength of the emitted Radiation differs, wherein via at least one further measuring channel assembly (13) a reflection of a third spectrum is detected, wherein the third spectrum substantially corresponds to a Rayleigh backscatter curve, characterized in that the Rayleigh attenuation of the back radiation with the Raman attenuation of the back radiation of first and second Spekt is compared in the same place, wherein the further measuring channel assembly (13) is used to measure a further physical property or size, and wherein a value for force of the optical fiber is detected when all three reflections have a change in attenuation, and a value is detected for a moisture detection when a change in the attenuation of the re-radiation of the emitted radiation is detected at the same location and no significant change in the attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum is detected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a method for detecting operating states over a spatially extended area according to the preamble of claim 1 and to a device for detecting operating states over a spatially extended area according to the preamble of claim 10.

Solche Verfahren und Vorrichtungen umfassen dabei die Auswertung optisch rückgestreuter Signale aus einem optischen Lichtwellenleiter.Such methods and devices include the evaluation of optically backscattered signals from an optical fiber.

Für ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung, z. B. zur Brandüberwachung von Verkehrstunneln, ist ein System sowie ein faseroptisches Kabel beschrieben in der Broschüre FP 595 eD der Siemens Building Technologies AG, Männedorf, CH, wobei das dort beschriebene Lichtleiterkabel eine Röhre aus einem korrosionsbeständigen Stahl aufweist, in dem sich eine oder mehrere Glasfasern befinden, und wobei die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Kunststoffummantelung versehen ist. Die Kunststoffummantelung dient dabei zur Wärmeleitung von Umgebungswärme auf die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl sowie auch zur Absorption von auftreffender Strahlungswärme, um im Bereich von Wärmestrahlung eine Erwärmung der Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl zu erhalten.For such a method and such a device, for. As for the fire monitoring of traffic tunnels, a system and a fiber optic cable is described in the brochure FP 595 eD Siemens Building Technologies AG, Männedorf, CH, where the optical fiber cable described therein has a tube made of a corrosion-resistant steel in which one or more Glass fibers are located, and wherein the tube made of corrosion-resistant steel is provided with a plastic sheath. The plastic sheath serves for the heat conduction of ambient heat to the tube made of corrosion-resistant steel as well as for the absorption of incident radiant heat in order to obtain heating of the tube made of corrosion-resistant steel in the range of thermal radiation.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszuständen sind aus der EP 0 692 705 A1 bekannt. Insbesondere sind dort ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines streckenabhängigen Temperaturprofils entlang eines Lichtwellenleiters ausführlich beschrieben.A method and a device for spatially extended detection of operating states are known from EP 0 692 705 A1 known. In particular, a method and a measuring device for determining a distance-dependent temperature profile along an optical waveguide are described in detail there.

Weiterhin ist aus EP 0 692 705 A1 ein solches Verfahren und eine solche Messeinrichtung mit Änderungen zur Bestimmung eines streckenabhängigen Messprofils zur Erkennung einer Einwirkung von Feuchte oder Kräfte auf den Lichtwellenleiter, bekannt.Furthermore, it is off EP 0 692 705 A1 Such a method and such a measuring device with changes to determine a distance-dependent measurement profile for detecting an effect of moisture or forces on the optical waveguide, known.

Dabei basiert das in der EP 0 692 705 A1 beschriebene Verfahren zur Temperaturbestimmung auf der Erfassung der Intensität des Rückstreulichtes im spektralen Raman-Band, während das dort beschriebene Verfahren zur Messung von Feuchte- oder Krafteinwirkung aus der wellenlängenselektiven Auskopplung von Raman-, vorzugsweise Rayleigh-Streulicht erfolgt.This is based in the EP 0 692 705 A1 described method for determining temperature on the detection of the intensity of the backscattered light in the spectral Raman band, while the method described there for the measurement of moisture or force from the wavelength selective extraction of Raman, preferably Rayleigh scattered light occurs.

Ein solches Messsystem soll bestehen aus einem optischen Sender (FMCW-Laserquelle), einer spektralen Vorfilterung und einer Nachfilterung, einer faseroptischen Messstrecke (Lichtwellenleiter) und einer zweikanaligen Empfängereinheit, bestehend aus je einer Photodiode und je einem HF-(Hochfrequenz)-Mischer. Die beiden Kanäle der Empfängereinheit entsprechen dem Laufweg des Lichts des Messbandes und dem des Referenzbandes.Such a measuring system should consist of an optical transmitter (FMCW laser source), a spectral pre-filtering and a post-filtering, a fiber optic measuring section (optical waveguide) and a two-channel receiver unit, each consisting of a photodiode and a respective HF (high frequency) mixer. The two channels of the receiver unit correspond to the path of the light of the measuring tape and that of the reference band.

Parallel zu den erwähnten Kanälen verläuft ein Referenzkanal, dessen Licht mittels Leistungskoppler aus dem Primärstrahlengang entnommen wird und ebenfalls auf eine Photodiode trifft und an die Empfängereinheit weitergegeben wird. Die Signale aus den drei Kanälen laufen dann über eine Schnittstelle in die numerische Weiterverabeitung, vorzugsweise in einem PC. Sie besteht aus der Fensterung der Messsignale, einer Fast Fourier Transformation (FFT), einer Signalmittelung und der abschliessenden EDV-Bearbeitung.Parallel to the mentioned channels runs a reference channel whose light is removed by means of power coupler from the primary beam path and also meets a photodiode and is passed on to the receiver unit. The signals from the three channels then run via an interface in the numerical Weiterverabeitung, preferably in a PC. It consists of the windowing of the measurement signals, a Fast Fourier Transformation (FFT), a signal averaging and the final EDP processing.

Laserquellen besitzen aufgrund ihrer Resonatorstruktur ein kammartiges (longitudinales) Modenspektrum. Die Strahlungsleistung wird nicht nur bei der Emissionswellenlänge lo (Hauptmodus) geführt sondern verteilt sich auf die nächstliegenden Nebenmoden. Die Lage dieser Ausläufer fällt in den Spektralbereich des zu erwartenden Raman-Streulichtes. Aus diesem Grund wird das frequenzmodulierte Laserlicht vor der Einkopplung in die Glasfaserleitung mit z. B. einem Absorptionsfilter vorgefiltert. Das aus der Faser rückgestreute Licht wird mit Hilfe beispielsweise zweier Wavelength Division Multiplexing-(WDM)-Filter so bewertet bzw. vorgefiltert, dass die Spektralanteile bei der Laserwellenlänge lo passieren und das Raman-Streulicht der Stokes- und Anti-Stokes-Linie zum jeweiligen Ausgang transferiert wird. In der Nachfilterung wird das Laserlicht und das Rayleigh-Streulicht unterdrückt, und in jeweils einem Kanal nur selektiv Raman-Streulicht durchgelassen.Due to their resonator structure, laser sources have a comb-like (longitudinal) mode spectrum. The radiant power is not only guided at the emission wavelength lo (main mode) but distributed to the nearest secondary modes. The position of these extensions falls in the spectral range of the expected Raman scattered light. For this reason, the frequency-modulated laser light prior to coupling into the glass fiber cable with z. B. prefiltered an absorption filter. The backscattered light from the fiber is evaluated or prefiltered with the aid of, for example, two Wavelength Division Multiplexing (WDM) filters such that the spectral components pass at the laser wavelength lo and the Raman scattered light from the Stokes and anti-Stokes lines to the respective one Output is transferred. In the post-filtering, the laser light and the Rayleigh scattered light is suppressed, and in each case only selectively Raman scattered light is transmitted.

Das Messlicht der Stokes- und der Anti-Stokes-Linie des Raman-Streulichtes gelangt auf die beiden lichtempfindlichen Dioden. Die elektrischen Signale werden verstärkt und mit dem Modulationssignal der Laseransteuerung in den niederfrequenten Spektralbereich gemischt und über die Rechnerschnittstelle an den FFT-Analysator übergeben.The measuring light of the Stokes and Anti-Stokes lines of the Raman scattered light reaches the two light-sensitive diodes. The electrical signals are amplified and mixed with the modulation signal of the laser control in the low-frequency spectral range and transferred via the computer interface to the FFT analyzer.

Vorzugsweise für eine Feuchtemessung soll das Spektralband (als Messband) der Absorption des in das Rückstreumedium eingelagerten Wasserstoffs und als Referenzband ein Spektralband verwendet werden, welches möglichst ohne Einfluss der Absorption des eingelagerten Wasserstoffs ist. Die Maxima der Absorptionsbanden des Wasserstoffs sind bekannt und liegen etwa bei 1.240 nm (beispielsweise für die reversible Einlagerung von Wasserstoff in Quarz) bzw. bei 1.390 nm (beispielsweise irreversible Einlagerung). Das Referenzband sollte möglichst von den Absorptionsbanden weit entfernt liegen, um ihren Einfluss zu minimieren.The spectral band (as measuring band) of the absorption of the hydrogen stored in the backscatter medium and, as a reference band, a spectral band which is as far as possible without influence of the absorption of the stored hydrogen should preferably be used for a moisture measurement. The maximums of the absorption bands of the hydrogen are known and are approximately at 1,240 nm (for example, for the reversible incorporation of hydrogen in quartz) or at 1,390 nm (for example irreversible incorporation). The reference band should be as far away from the absorption bands as possible to minimize its influence.

Vorzugsweise wird als Rückstreumedium ein Lichtwellenleiter benutzt, der aus einem örtlich hin- und rückführenden Strang besteht und der am Ende der Messstrecke über eine Schlaufe läuft, so dass beide Stränge etwa dieselbe örtliche Lage einnehmen. Vorzugsweise wird einer der Stränge gegen Feuchteeinwirkung hermetisch abgeschirmt, was sich beispielsweise dadurch erreichen lässt, dass dieser Strang in einem Mantel liegt, welcher undurchlässig gegen Feuchte ist (z. B. aus Edelstahl). Preferably, an optical waveguide is used as backscatter medium, which consists of a locally back and forth strand and runs at the end of the measuring section via a loop, so that both strands occupy approximately the same local position. Preferably, one of the strands is hermetically shielded against exposure to moisture, which can be achieved, for example, by placing this strand in a sheath which is impermeable to moisture (eg of stainless steel).

Vorzugsweise soll für Kraftmessung als Messband Licht einer festen, hohen Wellenlänge (etwa 1.550 nm oder 1.650 nm) benutzt werden, das vom Rückstreumedium möglichst schwach geführt und als Referenzband Licht mit einer Wellenlänge, das im Rückstreumedium möglichst stark geführt wird (etwa 980 nm, 1.064 nm, 1.300 nm). In der Messfaser werden physikalisch micro-bending-Störungen zur Messung ausgenutzt.Preferably, for measurement of force, light of a fixed, high wavelength (about 1,550 nm or 1,650 nm) should be used, which is guided as weakly as possible by the backscatter medium and light with a wavelength as strong as possible in the backscatter medium (about 980 nm, 1,064 nm) nm, 1300 nm). In the measuring fiber physically micro bending disturbances are used for the measurement.

Das zweite beschriebene Verfahren kann mit den hierfür aufgeführten Verfahrensschritten auch zur Temperaturmessung verwendet werden, wobei temperaturabhängige Eigenschaften, insbesondere Ausdehnungskoeffizienten des Coatings von Lichtwellenleitern ausgenutzt werden. Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten bewirken die temperaturabhängige Zu- oder Abnahme von Druckkräften auf den Lichtwellenleiter, wodurch indirekt über den Krafteinfluss Temperatur messbar wird.The second described method can also be used for temperature measurement with the method steps listed here, wherein temperature-dependent properties, in particular coefficients of expansion of the coating of optical waveguides, are utilized. Temperature-dependent coefficients of expansion cause the temperature-dependent increase or decrease of compressive forces on the optical waveguide, whereby indirectly via the force influence temperature is measurable.

Das in der EP 0 692 705 A1 beschriebene Messprinzip wird auch als optische Frequenzbereichsreflektomie bezeichnet (Optical frequency domain reflectometry) und mit OFDR abgekürzt.That in the EP 0 692 705 A1 The measuring principle described is also referred to as optical frequency domain reflectometry and abbreviated to OFDR.

Sowohl bei den in EP 0 692 705 A1 beschriebenen Messverfahren als auch in den weiteren Messverfahren, die in der Beschreibungseinleitung zu EP 0 692 705 A1 genannt sind und deren Messprinzip auf der Ausnutzung von intrinsischen Streuprozessen von Quarzglasfasern beruhen, nämlich der Raman- oder Brillouin-Streuung, ist die Tatsache, dass für die Messung eines Parameters bzw. einer physikalischen Größe jeweils ein komplettes entsprechend angepasstes Messsystem mit entsprechendem Investitionsaufwand erforderlich ist.Both at the in EP 0 692 705 A1 described in the measurement procedure as well as in the other measuring methods that in the introduction to EP 0 692 705 A1 The measuring principle is based on the exploitation of intrinsic scattering processes of quartz glass fibers, namely the Raman or Brillouin scattering, is the fact that for the measurement of a parameter or a physical size in each case a complete correspondingly adapted measuring system with a corresponding investment cost is required ,

Die Druckschrift DE 197 54 910 A1 beschreibt eine Wellenlängen-Detektoranordnung zur Erfassung der Bragg-Wellenlänge mindestens eines Bragg-Gitters in mindestens einem FBG-Sensor, bei der mit Faserkopplern von jedem Bragg-Gitter reflektiertes Licht jeweils in zwei Detektorkanäle geführt wird, in denen je ein Detektor enthalten ist. In der 1b ist eine Ausführungsform mit einer Vielzahl von Bragg-Gittern von einem oder mehreren FBG-Sensoren gerichtet. Die Detektoren jedes Paares von Detektorkanälen besitzen schmalbandige Spektralempfindlichkeiten, die einander überlappen und deren Zentralwellenlängen maximaler Empfindlichkeit einen Wellenbereich aufspannen, indem die Bragg-Wellenlänge des jeweiligen Bragg-Gitters liegt.The publication DE 197 54 910 A1 describes a wavelength detector arrangement for detecting the Bragg wavelength of at least one Bragg grating in at least one FBG sensor, in which fiber couplers of each Bragg grating reflected light is guided in each case in two detector channels, in each of which a detector is included. In the 1b For example, one embodiment is directed to a plurality of Bragg gratings from one or more FBG sensors. The detectors of each pair of detector channels have narrow band spectral sensitivities which overlap each other and whose center wavelengths of maximum sensitivity span a wavelength range by the Bragg wavelength of the respective Bragg grating.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der US 6,285,446 B1 bekannt. Aus dieser Schrift ist ein faser-optischer Sensor bekannt, bei dem über zwei Messkanalbaugruppen eine Rückstrahlung eines Stokes- und eines anti-Stokes-Spektrums aus dem optischen Medium erfasst wird, das sich in der Wellenlänge von der emittierten Strahlung unterscheidet. In einer dritten Messkanalbaugruppe wird die Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst, das einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht.A method and a device of the type mentioned are from the US 6,285,446 B1 known. From this document, a fiber-optical sensor is known in which two measuring channel assemblies a back radiation of a Stokes and an anti-Stokes spectrum is detected from the optical medium, which differs in wavelength from the emitted radiation. In a third measuring channel assembly, the reflection of a third spectrum is detected, which corresponds to a Rayleigh backscatter curve.

Aus der US 5,765,948 A ist es bekannt, mittels separater Messbaugruppen die Rayleigh-Dämpfung, die anti-Stokes- und die Stokes-Raman-Dämpfung zu messen und durch Normierung der Raman-Dämpfungssignale mit der Rayleigh-Dämpfung miteinander zu vergleichen.From the US 5,765,948 A It is known to measure the Rayleigh attenuation, the anti-Stokes and the Stokes-Raman attenuation by means of separate measurement modules and to compare them by normalizing the Raman attenuation signals with the Rayleigh attenuation.

Aus der EP 0 190 001 A2 ist es ebenfalls bekannt, die anti-Stokes-Raman-Dämpfung mit der Rayleigh-Dämpfung ins Verhältnis zu setzen.From the EP 0 190 001 A2 It is also known to compare the anti-Stokes Raman attenuation with the Rayleigh attenuation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Einsatzbereich solcher Verfahren und Vorrichtungen erweitert wird und insbesondere im Hinblick auf verbesserte Wirtschaftlichkeit auf weiteren Gebieten Verwendung finden können.The invention is therefore based on the object of developing methods and devices of the type mentioned in such a way that the field of application of such methods and devices is extended and can be used in particular in terms of improved efficiency in other areas.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a method for detecting operating conditions of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1 and by a device for detecting operating conditions of the type mentioned above with the characterizing features of claim 10. The subclaims relate to preferred embodiments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist. Gemäß Anspruch 10 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen werden kann, wobei die weitere Messkanalbaugruppe dafür verwendet werden kann, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst werden kann, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst werden kann, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.According to claim 1 it is provided that the Rayleigh attenuation of the return radiation is compared with the Raman attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum at the same location, wherein the further measurement channel assembly is used to measure a further physical property or quantity, and wherein a value for a force load of the optical waveguide is detected when all three reflections have a change in attenuation, and a value for a humidity detection is detected if a change in the attenuation of the re-radiation of the emitted radiation is detected at the same location and no significant change in the attenuation of the reverberation of the first and second spectrum is detected. According to Claim 10 is provided that the device is designed such that the Rayleigh attenuation of the return radiation can be compared with the Raman attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum at the same location, wherein the further measurement channel assembly can be used for a further physical Property or size can be measured, and wherein a value for a force load of the optical waveguide can be detected when all three reflections have a change in attenuation, and a value for a moisture detection can be detected, if at the same location a change in the attenuation of the reflection of the emitted radiation is detected and no significant change in the attenuation of the reflectance of the first and second spectrum is detected.

Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung ist es möglich, die Genauigkeit und Langzeitstabilität eines solchen Messsystems und -verfahrens wesentlich zu verbessern, ohne dass zusätzliche Messinfrastruktur bei dem zu überwachenden Objekt erforderlich wird. Die Verbesserung lässt sich erzielen mit den bekannten Lichtwellenleiterkabeln, auch unter Verwendung solcher, die bereits verlegt sind.The development according to the invention makes it possible to substantially improve the accuracy and long-term stability of such a measuring system and method without requiring additional measuring infrastructure in the object to be monitored. The improvement can be achieved with the known fiber optic cables, even using those that are already laid.

Dadurch wird der Anwendungsbereich eines solchen Messverfahrens und Systems erweitert im Hinblick auf Anwendungen, bei denen z. B. zur Prozessüberwachung eine höhere Messgenauigkeit und insbesondere eine höhere Genauigkeit der erfassten Absolutwerte erforderlich sind. Solche Anwendungen können im chemischen Anlagenbau liegen, insbesondere in der Petrochemie, bei der thermisch außer Kontrolle geratene Prozesse oder entstehende Brände verheerende Folgen haben können.Thereby, the scope of such a measurement method and system is extended with regard to applications in which z. B. for process monitoring a higher measurement accuracy and in particular a higher accuracy of the detected absolute values are required. Such applications may be in chemical plant engineering, especially in the petrochemical industry, where thermally out-of-control processes or resulting fires can have disastrous consequences.

Weiterhin wird es durch die erfindungsgemäße Ausbildung möglich, auch mehrere physikalische Größen mit einem einzigen Messsystem und somit ohne nennenswerte zusätzliche Kosten zu erfassen.Furthermore, it is possible by the construction according to the invention to also detect a plurality of physical variables with a single measuring system and thus without significant additional costs.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird dabei vorgesehen, eine Einrichtung vorzusehen, mit der mehrere Lichtwellenleiter, insbesondere zeitlich nacheinander, mit der Auswerteinrichtung der Vorrichtung verbindbar sind.In a particularly preferred embodiment of the method and the device, it is provided to provide a device with which a plurality of optical waveguides, in particular temporally successively, can be connected to the evaluation device of the device.

Dadurch wird es nicht nur möglich, bei der Überwachung und Diagnostik von komplexen Anlagen, wie z. B. im Off-Shore-Bereich bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung, -förderung und -transport, sondern auch bei anderen hochtechnisierten Objekten, wie Flugzeugen, sowie besonders sicherheitskritischen Großbauwerken, wie Talsperren oder Verkehrstunnel, die geologische Bruchlinien queren, wesentlich effizienter, längerer und sicherer betrieben werden können.This not only makes it possible to monitor and diagnose complex systems, such as As in the off-shore area in the oil and gas extraction, production and transport, but also in other high-tech objects, such as aircraft, and particularly safety-critical large structures, such as dams or traffic tunnels that cross geological fault lines, much more efficient, longer and can be operated more safely.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, mit Hilfe faseroptischer Sensoren bei geringen apparativem und Auswerteaufwand komplexe Zustandsgrößen eines technischen Objektes zu erfassen, mit geringem Aufwand auszuwerten und übersichtlich darzustellen.The inventive construction, it is possible to capture complex state variables of a technical object with the aid of fiber optic sensors with low equipment and evaluation effort, evaluate with little effort and clearly presented.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung eines Messverfahrens und einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ist die Messvorrichtung und das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtwellenleiter vorgesehen wird, der an einer oder mehreren Stellen sogenannte Fasergitter-Sensor aufweist, d. h. optische Gitter, die beispielsweise durch Lasergravieren in den Lichtwellenleiter eingebracht sind, sowie vorzugsweise einen oder mehrere Wellenlängendetektoren umfasst, beispielsweise ein Wellenlängendetektor SSO-WS-7.56-TO5i der Fa. SILICON Sensor GmbH, oder ein holographisches Gitter mit CCD-Zeile.In a further development according to the invention of a measuring method and a device of the type mentioned in the introduction, the measuring device and the method are characterized in that an optical waveguide is provided which has so-called fiber grating sensor at one or more points, d. H. Optical grating, which are introduced, for example, by laser engraving in the optical waveguide, and preferably comprises one or more wavelength detectors, for example, a wavelength detector SSO-WS-7.56-TO5i Fa. SILICON Sensor GmbH, or a holographic grating with CCD line.

Insbesondere bei der Verwendung mehrerer solcher Fasergitter-Sensor ist es besonders zweckmäßig, diese Gitter mit unterschiedlichen Gitterabständen zu versehen.In particular, when using a plurality of such fiber grating sensor, it is particularly useful to provide these grids with different lattice spacings.

Durch Veränderung der in die Faser eingestrahlten Wellenlänge ist es möglich, die einzelnen Fasergitter-Sensor zu ”adressieren” und über eine temperaturbedingte Änderung des herstellbedingt bekannten Gitterabstandes eine sehr genaue Information über die tatsächlich am Ort des jeweiligen Fasergitter-Sensors herrschende Temperatur zu erhalten.By changing the wavelength irradiated into the fiber, it is possible to "address" the individual fiber grating sensor and to obtain a very precise information about the actual temperature prevailing at the location of the respective fiber grating sensor via a temperature-induced change in the known grid spacing.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, ohne den bisher als erforderlich angesehenen hohen apparativen Aufwand für ein zweites Referenzmesssystem eine gelegentliche Überprüfung der normalen Temperaturmessung eine Nachkalibrierung vorzunehmen, mit der Toleranzen bei der Glasfaserherstellung aber auch insbesondere auch Alterungsprozesse der Glasfaser und Umwelteinflüsse zu kompensieren. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei solchen Anwendungen, bei denen der normale Lichtwellenleiter nicht oder nur schwer zugänglich ist und daher eine Nachkalibrierung auf herkömmlichem Wege durch Überprüfen der Ist-Temperatur an bestimmten Referenzpunkten mit einem separaten Referenzmesssystem nicht möglich ist.The inventive construction, it is possible to make a recalibration without the hitherto considered necessary high equipment cost for a second reference measuring system an occasional review of the normal temperature measurement to compensate with the tolerances in glass fiber production but also in particular aging processes of the glass fiber and environmental influences. Particularly advantageous embodiment of the invention in such applications in which the normal optical fiber is not or only with difficulty accessible and therefore a recalibration in a conventional way by checking the actual temperature at certain reference points with a separate reference measuring system is not possible.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es aber nicht nur möglich, eine Nachkalibrierung dort vorzunehmen, wo der Lichtwellenleiter schwer zugänglich ist, sondern durch den Entfall des Investitionsaufwandes für ein separates Referenzmesssystem kann die Gebrauchsdauer eines Messsystems der eingangs erwähnten Art wesentlich verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit bei dem Einsatz langfristig erheblich gesteigert werden, auch dort, wo bisher auf den Aufwand für eine Nachkalibrierung aus Kostengründen verzichtet wurde.Due to the formation of the invention, it is not only possible to make a recalibration where the optical fiber is difficult to access, but by eliminating the capital outlay for a separate reference measuring system, the useful life of a measuring system of the type mentioned can be significantly extended and thus the economy in the commitment in the long term, even where the expense of recalibration has been waived for cost reasons.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gestaltung einer kostengünstigen Feuchte- und/oder Kraftmessung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Rückstrahlung bei einer emittierten Wellenlänge der wenigstens einen Strahlungsquelle von etwa 1240 nm und/oder etwa 1390 nm über die wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe erfasst wird, insbesondere, wenn ferner über zumindest zwei Messkanalbaugruppen eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung um etwa 65 bis 75 nm, vorzugsweise um 70 nm, zu einer höheren und/oder einer niedrigeren Wellenlänge unterscheidet.A preferred embodiment of the method according to the invention for designing a cost-effective moisture and / or force measurement is characterized in that the attenuation of the return radiation at an emitted wavelength of at least one radiation source of about 1240 nm and / or about 1390 nm on the at least one further measuring channel assembly detected In particular, if at least two measuring channel assemblies, a back radiation of a first and a second spectrum is detected from the optical medium, wherein the wavelength of the first and / or second spectrum of the wavelength of the emitted radiation by about 65 to 75 nm, preferably differs by 70 nm, to a higher and / or a lower wavelength.

Erfindungsgemäß wird die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist, insbesondere, wenn dabei ein zusätzlicher Lichtwellenleiter zur Feuchtemessung vorgesehen ist.According to the invention, the Rayleigh attenuation of the return radiation is compared with the Raman attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum at the same location, wherein a value for a force load of the optical waveguide is detected when all three reverberations have a change in attenuation, and a value for a moisture detection is detected if a change in the attenuation of the reflected radiation of the emitted radiation is detected at the same location and no significant change in the attenuation of the reflection of the first and second spectrum is detected, in particular if an additional optical waveguide for measuring moisture is provided.

Für die Erfassung auch einer Dehnung des Lichtwellenleiters ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verfahren und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle, vorzugsweise in Form eines zusätzlichen Lasers, vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle verbundenen Spektrumanalysators zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle, insbesondere bei Erfassung des Brillouin-Verstärkungsspektrums und der Brillouin-Stokes-Frequenz.For the detection of an elongation of the optical waveguide, it is particularly advantageous if the method and the device is characterized in that there is further provided a further radiation source, preferably in the form of an additional laser, of the optical radiation in the elongated optical medium opposite Direction of the radiation emitted by the first radiation source, and providing a spectrum analyzer connected to the first and the further radiation source for determining a frequency difference between the radiation of the first and the further radiation source, in particular when detecting the Brillouin amplification spectrum and the Brillouin-Stokes Frequency.

Dies gilt insbesondere, wenn das Verfahren ferner gekennzeichnet ist durch den Schritt der Korrelation des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung zur Bestimmung eines örtlichen Dehnungsverlaufes entlang des optischen Mediums.This is particularly true if the method is further characterized by the step of correlating the detected effect of Brillouin scattering with a temperature measurement due to Raman scattering to determine a local strain profile along the optical medium.

Die Erfindung lässt sich wirtschaftlich besonders gut einsetzen mit einem Sensorkabel zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern aufweist, von denen wenigstens einer zur Feuchte- und/oder Kraftbestimmung wie oben beschrieben geeignet ist, und/oder wenn das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern aufweist, von denen wenigstens einer zur Temperaturbestimmung durch ein oben beschriebenes Verfahren und wenigstens ein weiterer Lichtwellenleiter zur Bestimmung einer Dehnung durch ein oben erwähntes Verfahren geeignet ist, insbesondere bei einem Lichtwellenleiter mit mehreren Fasergitter-Sensoren.The invention can be used particularly economically with a sensor cable for use with a method according to the invention and / or a device according to the invention if the sensor cable has a plurality of optical waveguides, of which at least one is suitable for determining moisture and / or force as described above, and / or if the sensor cable has a plurality of optical waveguides, of which at least one is suitable for determining temperature by a method described above and at least one further optical waveguide for determining an elongation by a method mentioned above, in particular in an optical waveguide with a plurality of fiber grating sensors.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments illustrated in FIGS. Show it:

1 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a schematic diagram of a structure of a device according to the invention,

2 eine Prinzipdarstellung eines alternativen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 a schematic representation of an alternative construction of a device according to the invention,

3 eine Querschnittsdarstellung durch ein Energiekabel mit Sensorkabelelementen; 3 a cross-sectional view through a power cable with sensor cable elements;

4 eine Querschnittdarstellung durch ein weiteres Sensorkabel; und 4 a cross-sectional view through another sensor cable; and

5 eine Querschnittdarstellung durch ein weiteres Sensorkabel zur beispielsweisen Integration in ein Energiekabel gemäß 3. 5 a cross-sectional view through another sensor cable for example, integration in a power cable according to 3 ,

Nach dem Stand der derzeitigen technologischen Entwicklung existieren eine große Vielfalt an optischen und faseroptischen Sensoren. Für den Einsatz an ausgedehnten Messobjekten haben sich in vielen Fällen örtlich verteilte Messsysteme aus technischen und wirtschaftlichen Gründen als zweckmäßig erwiesen. Als örtlich verteilte Messsysteme werden solche bezeichnet, bei denen physikalische Parameter nicht an einzelnen diskreten Orten, insbesondere durch individuelle Sensoren, sondern über ausgedehnte Sensoren kontinuierlich entlang des Sensors erfasst werden. Hierzu ist insbesondere die Verwendung von Lichtwellenleitern (Glasfaserleitungen) bekannt und zweckmäßig, bei denen sich bestimmte Größen als Funktion beispielsweise der Glasfaserlänge erfassen lassen. Diese Technik ermöglicht somit eine lückenlose Messung über viele Kilometer mit einer örtlichen Auflösung von unter einem Meter. Die Kosten pro Messzelle liegen dabei im Vergleich zu konventionellen Sensornetzwerken mit punktuell messenden Sensoren erheblich geringer.According to the current state of technological development, a wide variety of optical and fiber optic sensors exist. In many cases, locally distributed measuring systems have proved to be suitable for use on extended measuring objects for technical and economic reasons. Locally distributed measuring systems are those in which physical parameters are not detected at individual discrete locations, in particular by individual sensors, but over extended sensors continuously along the sensor. For this purpose, in particular the use of optical waveguides (fiber optic cables) is known and expedient, in which certain sizes can be detected as a function of, for example, the glass fiber length. This technique thus enables seamless measurement over many kilometers with a local resolution of less than one meter. The costs per cell are considerably lower compared to conventional sensor networks with point-measuring sensors.

Kommerziell werden derzeit zwei Messsysteme mit örtlich verteilten Sensoren verwendet, die entweder auf der Raman-Streuung zur örtlich verteilten Temperaturmessung basieren oder der Brillouin-Streuung, die sowohl für örtlich verteilte Temperaturmessung als auch im Sinne eines verteilten Dehnungssensors benutzt werden kann. Ausgangsbasis für einen erfindungsgemäßen Aufbau ist ein aus EP 0 692 705 A1 bekannter Aufbau eines OFDR-Raman-Temperaturmesssystems.Commercially, two measuring systems with locally distributed sensors are currently being used either based on Raman scattering for localized temperature measurement or Brillouin scattering, which can be used for both distributed temperature measurement and distributed strain sensor. Starting point for a construction according to the invention is one of EP 0 692 705 A1 known structure of an OFDR Raman temperature measuring system.

Das Messsystem setzt sich zusammen aus einem Auswertegerät, gelegentlich auch als optisches Radar bezeichnet, und einem Lichtwellenleiterkabel als linienförmigem Temperatursensor. Das optische Radar arbeitet mit Laserlicht, welches in das Sensorkabel eingekoppelt wird. Durch thermische Molekülschwingungen des Lichtwellenleitermaterials entsteht eine Streuung des Laserlichtes mit inelastischen Eigenschaften, die Raman-Streuung. Um diese temperaturabhängige Lichtstreuung entlang der Faser an jedem Ort bestimmen zu können, wird ein OFDR-Verfahren nach EP 0 692 705 A1 verwendet. Optional kann ein Computer verwendet werden, um eine Parametrierung und Konfiguration des Messsystems vornehmen zu können und die Auswertung der Messdaten visuell darstellen zu können.The measuring system consists of an evaluation unit, sometimes also referred to as optical radar, and an optical fiber cable as a linear temperature sensor. The optical radar works with laser light, which is coupled into the sensor cable. By thermal molecular vibrations of the optical waveguide material results in a scattering of the laser light with inelastic properties, the Raman scattering. In order to be able to determine this temperature-dependent light scattering along the fiber at each location, an OFDR method is reproduced EP 0 692 705 A1 used. Optionally, a computer can be used to parameterize and configure the measuring system and visually display the evaluation of the measured data.

Die Besonderheit des OFDR-Raman-Temperaturverfahrens ist, dass der örtliche Temperaturverlauf entlang des Lichtwellenleiters aus der Berechnung der Fouriertransformierten des auf der Faser rückgestreuten Raman-Streulichtes resultiert. Die Amplituden der resultierenden Raman-Rückstreukurven sind proportional zur Intensität der Raman-Streuung des betrachteten Ortselementes. Nach Korrektur der Dämpfungsabhängigkeit der Glasfaser erhält man aus dem Amplitudenverhältnis des Stokes-Messkanals und des Antistokes-Messkanals die Fasertemperatur entlang des Sensorkabels.The peculiarity of the OFDR Raman temperature method is that the local temperature profile along the optical waveguide results from the calculation of the Fourier transform of the Raman scattered light backscattered on the fiber. The amplitudes of the resulting Raman backscatter curves are proportional to the Raman scattering intensity of the considered spatial element. After correcting the attenuation dependence of the glass fiber, the fiber temperature along the sensor cable is obtained from the amplitude ratio of the Stokes measuring channel and the Antistokes measuring channel.

Wesentliche Vorzüge der bekannten OFDR-Technik sind der in praktischer Näherung bestehende Dauerstrich-Betrieb der Laserquelle und die schmalbandige Detektion des optischen Rückstreusignals. Dieser technische Vorzug ermöglicht den Einsatz von preiswerten Halbleiterlaserdioden und die Verwendung von preiswerten elektronischen Baugruppen für die Signalverarbeitung.Significant advantages of the known OFDR technique are the practically continuous operation of the laser source and the narrow-band detection of the optical backscatter signal. This technical advantage allows the use of inexpensive semiconductor laser diodes and the use of inexpensive electronic modules for signal processing.

Ein Beispiel für den Aufbau eines OFDR-Auswertegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Die dargestellte Messeinrichtung umfasst im Wesentlichen vier Hauptbaugruppen: eine Spannungsversorgung 1, ein Signalprozessormodul 2, ein Lasermodul 3, das die Laserquelle in Form einer Laserdiode 38 und die zu deren Ansteuerung erforderliche Elektronik enthält, sowie die Messkanalbaugruppen 11, 12, 13, und 14. Die Messkanalbaugruppen 11 und 12 umfassen in bekannter Weise zwei Messkanäle sowie einen Referenzkanal mit der Messkanalbaugruppe 14 zur Erfassung der Spektrallage der Laserquelle 38 bzw. des in den Lichtwellenleiter 45 eingestrahlten Signals. Potentialfreie Ein- und Ausgänge 5 und 6 sowie Anschlüsse zur Datenkommunikation 7 dienen zur Einbindung von Peripheriegeräten, eine Statusanzeige 8 zur Information eines Benutzers.An example of the structure of an OFDR evaluation device according to the present invention is shown in FIG 1 shown. The illustrated measuring device essentially comprises four main assemblies: a power supply 1 , a signal processor module 2 , a laser module 3 that the laser source is in the form of a laser diode 38 and the electronics required to drive them, as well as the measuring channel assemblies 11 . 12 . 13 , and 14 , The measuring channel modules 11 and 12 include in a known manner two measuring channels and a reference channel with the measuring channel assembly 14 for detecting the spectral position of the laser source 38 or in the optical fiber 45 radiated signal. Potential-free inputs and outputs 5 and 6 as well as connections for data communication 7 serve for the integration of peripheral devices, a status display 8th for the information of a user.

Jede der Messkanalbaugruppen 11 bis 14 ist durch eine Baugruppe realisiert, die entsprechende Fotodetektoren, optische Filter und elektronische Komponenten umfasst, sowie eine interne Temperaturreferenz und vorzugsweise eine Einrichtung zur wahlweisen Verbindung einer Mehrzahl von an den Anschlüssen 18 bis 23 anschließbaren Leichtwellenleitern 45 mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen 11 bis 13 in Form eines sogenannten faseroptischen Schalters 17. Der faseroptische Schalter 17 ermöglicht eine effiziente faseroptische Verbindung des der Messkanalbaugruppen 11 bis 13 mit Lichtwellenleitern 45 als Sensorfasern.Each of the measuring channel assemblies 11 to 14 is realized by an assembly comprising corresponding photodetectors, optical filters and electronic components, as well as an internal temperature reference and preferably means for selectively connecting a plurality of at the terminals 18 to 23 connectable light waveguides 45 with one or more measuring channel modules 11 to 13 in the form of a so-called fiber optic switch 17 , The fiber optic switch 17 enables efficient fiber optic connection of the measurement channel assemblies 11 to 13 with optical fibers 45 as sensor fibers.

Mittels softwaremäßiger Ansteuerung kann der optische Schalter 17 aktiviert und das Temperaturprofil der Sensorfasern 45 zeitlich nacheinander bestimmt werden. Die Messzeit des Vorrichtung wird im Wesentlichen von der eingestellten Reichweite, der örtlichen Auflösung (der Anzahl der Messpunkte über die Sensorlänge) sowie der Temperaturgenauigkeit des Gerätes bestimmt. Bei einem realisierten Gerät beträgt die Messzahl bei etwa 1.000 Messpunkten, einer örtlichen Auflösung des Sensors von einem Meter und einer Temperaturgenauigkeit von ±1 K je Lichtwellenleiter 45 zwischen 10 und 20 Sekunden.By means of software control, the optical switch 17 activated and the temperature profile of the sensor fibers 45 be determined in chronological order. The measuring time of the device is mainly determined by the set range, the local resolution (the number of measuring points over the sensor length) and the temperature accuracy of the device. In the case of a realized device, the measurement number is about 1,000 measurement points, a local resolution of the sensor of one meter and a temperature accuracy of ± 1 K per optical fiber 45 between 10 and 20 seconds.

Die typischerweise in den Messkanalbaugruppen 11 und 12 eingesetzten optischen Filter 34, 35 weisen eine Durchlasskurve entsprechend einer Gauß-Funktion auf, während der Filter 37 für den Referenzkanal (Messkanalbaugruppe 14) im Wesentlichen für die Seitenkanalunterdrückung optimiert ist.Typically in the measuring channel assemblies 11 and 12 used optical filter 34 . 35 have a pass-through curve according to a Gaussian function while the filter 37 for the reference channel (measuring channel module 14 ) is substantially optimized for side channel rejection.

Für die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Messkanalbaugruppe 13 wird für die erfindungsgemäße Störgrößenerfassung ebenfalls ein Filter mit Optimierung auf Seitenunterdrückung (Rayleighfilter 36) vorgesehen, um Störungen durch das eingestreute Licht zu erfassen, die beispielsweise durch die Reflexion am Ende des Lichtwellenleiters 45, insbesondere Stecker- und Fresnelreflexionen, entstehen.For the invention provided additional measuring channel assembly 13 For the Störgrößenerfassung invention also a filter with optimization on side suppression (Rayleigh 36 ) are provided to detect interference by the interspersed light, for example, by the reflection at the end of the optical waveguide 45 , in particular plug and fresnel reflections arise.

Für die Nutzung der erfindungsgemäß zusätzlichen Messkanalbaugruppe 13 für die Nachkalibrierung kann es zweckmäßig sein, einen Filter mit Rampencharakteristik oder einen Kammfilter vorzusehen, um bei einem Abfahren eines Frequenzbereiches über eine Temperaturvariation der Laserlichtquelle 38 durch Vergleich mit der Amplitude des der Messkanalbaugruppe 13 bei einem Rampenfilter oder durch Mitzählen der durchfahrenen maximales Kammfilters eine Erfassung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zu erhalten. Es kann auch ein oder mehrere Wellenlängendetektoren verwendet werden, um die Wellenlänge der emittierten Strahlung zu erfassen, beispielsweise ein Wellenlängendetektor SSO-WS-7.56-TO5i der Fa. SILICON Sensor GmbH, oder auch ein holographisches Gitter mit CCD-Zeile.For the use of the present invention additional measuring channel assembly 13 For the recalibration, it may be appropriate to provide a filter with a ramp characteristic or a comb filter in order to decrease a frequency range via a temperature variation of the laser light source 38 by comparison with the amplitude of the measuring channel assembly 13 to obtain a detection of the wavelength of the incident light in a ramp filter or by counting the traversed maximum comb filter. One or more wavelength detectors can also be used to detect the wavelength of the emitted radiation, for example a wavelength detector SSO-WS-7.56-TO5i from SILICON Sensor GmbH, or else a holographic grating with a CCD line.

Für die Messung einer Dehnung einer Lichtwellenleiterfaser 45 oder eines Faserbündels kann zu der bereits vorgeschriebenen Temperaturmessung die Brillouin-Streuung herangezogen werden. Die Brillouin-Streuung ist eine Lichtstreuung an akustischen Wellen. Durch akustische Wellen auf der Faser 45 wird ein optisches Gitter im atomaren Aufbau der Quarzkreisfaser erzeugt. Aufgrund der endlichen Gruppengeschwindigkeit der akustischen Wellen entlang der Faser 45 führt dies dazu, dass die rückgestreute Welle der einfallenden Pumplichtquelle 38 eine niedrigere Frequenz aufweist. Die Frequenzdifferenz zwischen der Pump- und Stokes-Welle entspricht der Frequenz der akustischen Welle und wird als Brillouin-Stokes-Frequenz bezeichnet, und durch einen Spektrumanalysator 44 erfasst. Durch die Überlagerung der Stokes- und der Pumpwelle entsteht eine Wechselwirkung zwischen den beiden Wellen, die zu einem elektrostriktiven Effekt und zur Anregung von neuen akustischen Wellen in der Faser führt. Diese bewirken wiederum eine Verstärkung der Stokes-Welle und eine weitere Zunahme der Rückstreuung. Ab einer bestimmten Schwellleistung der Pumpwelle wächst dieser Prozess lawinenartig an. Es kommt zur stimulierten Brillouin-Streuung mit einem (lorenzförmigen) spektralen Verstärkungsprofil. Die Frequenzlage des Maximums des Verstärkungsspektrums ist temperatur- und dehnungsabhängig. Grundsätzlich kann daher durch eine Messung nur der Brillouin-Streuung nicht unterschieden werden, ob die gemessene Veränderung auf eine Temperatur- oder Dehnungsänderung zurückzuführen ist.For measuring an elongation of an optical fiber 45 or a fiber bundle, the Brillouin scattering can be used for the already prescribed temperature measurement. The Brillouin scattering is a light scattering on acoustic waves. By acoustic waves on the fiber 45 An optical grating is generated in the atomic structure of the quartz circular fiber. Due to the finite group velocity of the acoustic waves along the fiber 45 This causes the backscattered wave of the incident pumping light source 38 has a lower frequency. The frequency difference between the pump and Stokes wave corresponds to the frequency of the acoustic wave and is referred to as the Brillouin-Stokes frequency, and through a spectrum analyzer 44 detected. The superimposition of the Stokes and the pump wave creates an interaction between the two waves, which leads to an electrostrictive effect and to the excitation of new acoustic waves in the fiber. These in turn cause an increase in the Stokes wave and a further increase in backscatter. From a certain threshold power of the pump wave, this process grows like an avalanche. It comes to stimulated Brillouin scattering with a (lorenzförmigen) spectral gain profile. The frequency position of the maximum of the gain spectrum is temperature and strain dependent. In principle, therefore, it can not be distinguished by measuring only the Brillouin scattering whether the measured change is due to a temperature or strain change.

Das Brillouin-Verstärkungsspektrum und somit die Brillouin-Stokes-Frequenz kann mittels optischer Reflektometrie ortsaufgelöst entlang der Faser 45 gemessen werden.The Brillouin gain spectrum and thus the Brillouin-Stokes frequency can be spatially resolved along the fiber by optical reflectometry 45 be measured.

Die Mehrdeutigkeit des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung kann durch die Korrelation mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung aufgehoben werden, so dass durch die erfindungsgemäße kombinierte Vorrichtung eine örtlich verteilte Messung von Temperatur und Dehnung gleichzeitig möglich wird. Durch die Integration in einem einzigen Messsystem kann dies sehr viel preiswerter realisiert werden als mit herkömmlichen Systemen.The ambiguity of the detected effect of the Brillouin scattering can be canceled out by the correlation with a temperature measurement due to the Raman scattering, so that a spatially distributed measurement of temperature and strain is simultaneously possible by the combined device according to the invention. By integrating in a single measuring system, this can be realized much cheaper than with conventional systems.

Dazu kann die in 1 beschriebene Vorrichtung erweitert werden, wie sie in 2 beschrieben ist. Dabei weist die Vorrichtung eine zusätzliche Laserlichtquelle 40 auf und eine Glasfaser 45 ist an den Anschlüssen 18 und 22 des faseroptischen Schalters 17 angeschlossen.This can be done in 1 described device to be extended, as in 2 is described. In this case, the device has an additional laser light source 40 on and a fiberglass 45 is at the connections 18 and 22 of the fiber optic switch 17 connected.

3 zeigt einen Querschnitt durch ein Hochspannungs-Energiekabel mit mehreren Lichtwellenleitern 45 zur Zustandsüberwachung des Kabels. Das Freileitungsseil umfasst ein Zentralrohr 55, in dem von einem wärmeleitfähigen Gelfüller 51 eingebettet drei Lichtwellenleiter 54, 52, 59 angeordnet sind. Das Zentralrohr 55 ist durch die Seiladern 58 umgeben, die wiederum in einem Füller 53 eingebettet von einem Außenmantel 56 umgeben sind. 3 shows a cross section through a high voltage power cable with multiple optical fibers 45 for condition monitoring of the cable. The overhead line comprises a central tube 55 in which of a thermally conductive gel filler 51 embedded three optical fibers 54 . 52 . 59 are arranged. The central tube 55 is through the rope veins 58 surrounded, in turn, in a filler 53 embedded by an outer jacket 56 are surrounded.

Dabei ist auf der Oberseite des Freileitungskabels die Einbringung einer Glasfaser 50 zur Druckmessung vorgesehen, über die der Durchhang des Freileitungskabels erfasst werden kann. Im Bereich der unteren Peripherie ist ein Lichtwellenleiter 57 mit einem feuchtigkeitsdurchlässigen Mantel vorgesehen, über den die Feuchtebelastung des Kabels erfasst werden kann. Im Kern des Freileitungskabels finden sich idealerweise drei Lichtwellenleiter 54, 52 und 59, von denen einer für die Messung der Temperatur, der Dehnung und eine Referenzmessung zur Nachkalibrierung vorgesehen ist. Über die Temperaturmessung kann auf die Strombelastung des Kabels rückgeschlossen werden, die Messergebnisse der Feuchte- und Dehnungsmessung lassen Schlüsse auf eine mechanische Belastung des Kabels, z. B. durch Eisbehang zu. Über die Dehnungsmessung lässt sich insbesondere eine alterungsbedingte Ausreckung des Kabels erkennen, bei der durch den Verlust der Elastizität das Risiko eines Kabelbruches bei stoßartiger Belastung, z. B. schweren Sturmböen, oder die Gefahr einer Berührung von Grund oder Bäumen etc. besteht.It is on the top of the overhead line, the introduction of a glass fiber 50 intended for pressure measurement, via which the sag of the overhead line cable can be detected. In the area of the lower periphery is an optical fiber 57 provided with a moisture-permeable jacket over which the moisture load of the cable can be detected. In the core of the overhead cable, ideally, there are three optical fibers 54 . 52 and 59 one of which is for measuring temperature, strain and a reference measurement for recalibration. About the temperature measurement can be deduced on the current load of the cable, the results of the moisture and strain measurement conclusions on a mechanical load on the cable, z. B. by Eisbehang. About the strain measurement can be in particular an age-related extension of the cable recognize, in the loss of elasticity, the risk of cable breakage at impact load, z. B. severe storm gusts, or the risk of touching ground or trees, etc. exists.

Claims (18)

Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine Strahlung in wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45) ausgesandt wird, mittels einer ersten Messkanalbaugruppe (14) die von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierte Strahlung erfasst wird, und über zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45) erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei über wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) eine Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst wird, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.Method for detecting operating conditions over a spatially extended area, in which at least one first radiation source ( 38 ) radiation into at least one elongate optical medium ( 45 ) is transmitted by means of a first measuring channel assembly ( 14 ) from the at least one radiation source ( 38 ) emitted radiation, and via at least two measuring channel assemblies ( 11 . 12 ) a re-radiation of a first and a second spectrum from the optical medium ( 45 ), wherein the wavelength of the first and / or second spectrum differs from the wavelength of the emitted radiation, whereby at least one further measuring channel module ( 13 ) a third spectrum is detected, the third spectrum substantially corresponding to a Rayleigh backscatter curve, characterized in that the Rayleigh attenuation of the return radiation is compared with the Raman attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum at the same location, the further measurement channel assembly ( 13 ) is used to measure another physical property or quantity, and a value for force of the optical fiber is detected when all three reflections have a change in attenuation, and a value for humidity detection is detected when at the same location a change of the Damping of the re-radiation of the emitted radiation is detected and no significant change in the attenuation of the reflection of the first and second spectrum is detected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine optische Strahlung in wenigstens ein anschließbares langgestrecktes optisches Medium in Form eines Lichtwellenleiters (45) ausgesandt wird, das an einer oder mehreren Stellen über seine Längserstreckung eines oder mehrere sogenannte Fasergitter-Sensoren bekannter Gitterkonstante aufweist, und wobei die Wellenlänge der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung verändert und ein Signal erfasst wird, wobei die Wellenlänge des erfassten Signals einem oder mehreren Reflexionsmaxima der Fasergitter-Sensoren zugeordnet und mit einem vorgegebenen Ausgangswert verglichen wird, wobei die Verschiebung der erfassten Wellenlänge eines Reflexionsmaximums zu dem zugeordneten vorgegebenen Ausgangswert in eine Temperaturinformation umgesetzt wird, die der Position des betreffenden Fasergitter-Sensors zugeordnet wird.Method according to claim 1, characterized in that at least one first radiation source ( 38 ) optical radiation in at least one connectable elongate optical medium in the form of an optical waveguide ( 45 ) having at one or more points over its longitudinal extent one or more so-called fiber grating sensors known lattice constant, and wherein the wavelength of the radiation from the first radiation source ( 38 ) and a signal is detected, wherein the wavelength of the detected signal associated with one or more reflection maxima of the fiber grating sensors and compared with a predetermined output value, wherein the displacement of the detected wavelength of a reflection maximum to the associated predetermined output value converted into a temperature information which is assigned to the position of the respective fiber grating sensor. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Rückstrahlung bei einer emittierten Wellenlänge der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) von etwa 1240 nm und/oder etwa 1390 nm über die wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) erfasst wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the attenuation of the return radiation at an emitted wavelength of the at least one radiation source ( 38 ) of about 1240 nm and / or about 1390 nm via the at least one further measuring channel module ( 13 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung um 65 bis 75 nm zu einer höheren und/oder einer niedrigeren Wellenlänge unterscheidet.The method of claim 3, wherein the wavelength of the first and / or second spectrum differs from the wavelength of the emitted radiation by 65 to 75 nm at a higher and / or a lower wavelength. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasergitter-Sensoren jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.A method according to claim 2, characterized in that a plurality of fiber grating sensors each have different lattice constants. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Lichtwellenleiter (57) zur Feuchtemessung vorgesehen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an additional optical waveguide ( 57 ) is intended for moisture measurement. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle (40) vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium (45) entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (40) verbundenen Spektrumanalysators (44) zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (38, 40).Method according to one of the preceding claims, characterized in that furthermore a further radiation source ( 40 ) from the optical radiation into the elongated optical medium ( 45 ) against the direction of that of the first radiation source ( 38 ) emitted radiation, and providing one with the first and the further radiation source ( 40 ) spectrum analyzer ( 44 ) for determining a frequency difference between the radiation of the first and the further radiation source ( 38 . 40 ). Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch die Erfassung des Brillouin-Verstärkungsspektrums und der Brillouin-Stokes-Frequenz.The method of claim 1, further characterized by detecting the Brillouin gain spectrum and the Brillouin-Stokes frequency. Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Korrelation des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung zur Bestimmung eines örtlichen Dehnungsverlaufes entlang des optischen Mediums (45).The method of claim 8 further characterized by the step of correlating the detected effect of Brillouin scattering with a temperature measurement due to Raman scattering to determine a local strain profile along the optical medium ( 45 ). Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, enthaltend wenigstens eine Strahlungsquelle (38) zur Aussendung einer optischen Strahlung, wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45), eine Messkanalbaugruppe (14) zur Erfassung der von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung, und zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) zur Erfassung von Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45), wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei die Vorrichtung wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) zur Erfassung von Rückstrahlung eines dritten Spektrums aufweist, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen werden kann, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet werden kann, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst werden kann, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst werden kann, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.Device for detecting operating conditions over a spatially extended area, comprising at least one radiation source ( 38 ) for emitting an optical radiation, at least one elongate optical medium ( 45 ), a measuring channel assembly ( 14 ) for detecting the from the at least one radiation source ( 38 ) emitted radiation, and at least two measuring channel assemblies ( 11 . 12 ) for detecting the reflection of a first and a second spectrum from the optical medium ( 45 ), wherein the wavelength of the first and / or second spectrum differs from the wavelength of the emitted radiation, the device comprising at least one further measuring channel assembly ( 13 ) for detecting back radiation of a third spectrum, wherein the third spectrum substantially corresponds to a Rayleigh backscatter curve, characterized in that the device is designed such that the Rayleigh attenuation of the back radiation with the Raman attenuation of the back radiation of the first and second Spectrum can be compared at the same location, with the other measurement channel assembly ( 13 ) can be used to measure another physical property or quantity, and a value of force of the optical fiber can be detected when all three reflections have a change in attenuation and a value for moisture detection can be detected when in the same location a change in the attenuation of the re-radiation of the emitted radiation is detected and no significant change in the attenuation of the re-radiation of the first and second spectrum is detected. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17) zur wahlweisen Verbindung einer Mehrzahl von Lichtwellenleitern (45) mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen (11, 12, 13).Device according to claim 10, characterized by a device ( 17 ) optional Connection of a plurality of optical waveguides ( 45 ) with one or more measuring channel assemblies ( 11 . 12 . 13 ). Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) für eine zeitlich aufeinander folgende Verbindung der Lichtwellenleiter (45) mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen (11, 12, 13) ausgelegt ist.Device according to claim 11, characterized in that the device ( 17 ) for a temporally successive connection of the optical waveguides ( 45 ) with one or more measuring channel assemblies ( 11 . 12 . 13 ) is designed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (45) an einer oder mehreren Stellen über seine Längserstreckung einen oder mehrere sogenannte Fasergitter-Sensoren aufweist.Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the optical waveguide ( 45 ) has at one or more points over its longitudinal extent one or more so-called fiber grating sensors. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder mehrere Wellenlängendetektoren umfasst.Apparatus according to claim 13, characterized in that it comprises one or more wavelength detectors. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der das eine oder mehrere Fasergitter-Sensoren aufweisende Lichtwellenleiter ein zusätzlicher Lichtwellenleiter ist.Apparatus according to claim 13, characterized in that the one or more fiber grating sensors having optical waveguide is an additional optical waveguide. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasergitter-Sensoren jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.Device according to one of claims 13 or 15, characterized in that a plurality of fiber grating sensors each have different lattice constants. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Lichtwellenleiter (57) zur Feuchtemessung vorgesehen ist.Device according to one of claims 10 to 16, characterized in that an additional optical waveguide ( 57 ) is intended for moisture measurement. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle (40) vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium (45) entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (40) verbundenen Spektrumanalysators (44) zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (38, 40).Device according to one of the preceding claims 10 to 17, characterized in that further comprises a further radiation source ( 40 ) from the optical radiation into the elongated optical medium ( 45 ) against the direction of that of the first radiation source ( 38 ) emitted radiation, and providing one with the first and the further radiation source ( 40 ) spectrum analyzer ( 44 ) for determining a frequency difference between the radiation of the first and the further radiation source ( 38 . 40 ).
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