DE19502007A1 - Temperaturmeßsystem - Google Patents
TemperaturmeßsystemInfo
- Publication number
- DE19502007A1 DE19502007A1 DE1995102007 DE19502007A DE19502007A1 DE 19502007 A1 DE19502007 A1 DE 19502007A1 DE 1995102007 DE1995102007 DE 1995102007 DE 19502007 A DE19502007 A DE 19502007A DE 19502007 A1 DE19502007 A1 DE 19502007A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- light
- refractive index
- sensor head
- fiber core
- temperature coefficient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 239000011162 core material Substances 0.000 claims 11
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 1
- 239000013306 transparent fiber Substances 0.000 claims 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 abstract description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 abstract description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 abstract 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 7
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
- G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturmeßsystem,
insbesondere einen Sensorkopf gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Leitersystem gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 9 vorzugsweise für das Anschließen eines derartigen,
gattungsgemäßen Sensorkopfs.
Aus dem Stand der Technik gemäß der FR-90 090 75 ist ein
Temperaturmeßsystem dieser Gattung bekannt, wie es zum besseren
Verständnis in den anliegenden Fig. 5 und 6 schematisch abgebildet
ist. Gemäß der Fig. 5 ist das Temperaturmeßsystem aus einem
Temperaturfühler, bzw. Sensorkopf sowie zwei Anschlußleitungen
aufgebaut, die in diesem Fall einstückig mit dem Sensorkopf
verbunden sind. Der Sensorkopf selbst besteht aus einer Spule Sp1 aus
einem lichtleitfähigen Material M1, vorzugsweise einer Glasfaser, mit
einem vorbestimmten Brechungsindex n1 und einem ebenfalls
vorbestimmten Temperaturkoeffizienten a1 = f(n1, T) bezüglich des
Brechungsindexes n1 mit T = aktueller Temperatur, die von einem
lichtleitfähigen Mantel vorzugsweise aus Silikon M3, Fig. 6 umgeben ist.
Der Silikonmantel besitzt dabei einen Brechungsindex n3 und einen
Temperaturkoeffizienten a3 = f(n3, T). Für die Temperaturkoeffizienten
gilt dabei a1 ≠ a3.
Die Spule Sp1 ist ferner an einem ihrer Enden über eine erste der
Anschlußleitungen mit einer Leuchtdiode 4 verbunden, während an
dem anderen Ende der Spule Sp1 über die zweite Anschlußleitung
eine Photodiode 5 angeschlossen ist. Die Anschlußleitungen weisen
gemäß Fig. 6 ebenfalls eben Faserkern aus Glas auf, der mit einer
Silikonschicht ummantelt ist.
Das Funktionsprinzip dieses bekannten Temperaturmeßsystems kann
nunmehr wie folgt beschrieben werden:
An der Schnittstelle zwischen Leuchtdiode 4 und der Anschlußleitung bestehend aus der Glasfaser G1 mit dem Glasfaserkern und dem umgebenden Silikonmantel M3, Fig. 6 werden Lichtstrahlen mit vorbestimmter Lichtleistung unter verschiedenen Winkeln in die Anschlußleitung eingekoppelt. Diese Lichtstrahlen werden basierend auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflexion nahezu ungedämpft zum Sensorkopf S1 geleitet. Auf Grund der Geometrie der Spule Sp1 (starke Biegung) wird ein großer Teil dieser Lichtstrahlen nicht mehr total reflektiert, sondern tritt durch den Silikonmantel und wird in der Umgebung des Sensorkopfs absorbiert. Damit tritt im Sensorkopf eine starke Dämpfung des Lichtes auf. Die zweite Anschlußleitung führt die verbleibenden Lichtstrahlen, die im Sensorkopf totalreflektiert werden, nahezu ungedämpft zurück zur Photodiode 5, Fig. 5. Dies bewirkt, daß die von der Photodiode 5 Fig. 5 empfangene Lichtleistung erheblich geringer ist, als die von der Leuchtdiode 4 Fig. 5 eingekoppelte Lichtleistung.
An der Schnittstelle zwischen Leuchtdiode 4 und der Anschlußleitung bestehend aus der Glasfaser G1 mit dem Glasfaserkern und dem umgebenden Silikonmantel M3, Fig. 6 werden Lichtstrahlen mit vorbestimmter Lichtleistung unter verschiedenen Winkeln in die Anschlußleitung eingekoppelt. Diese Lichtstrahlen werden basierend auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflexion nahezu ungedämpft zum Sensorkopf S1 geleitet. Auf Grund der Geometrie der Spule Sp1 (starke Biegung) wird ein großer Teil dieser Lichtstrahlen nicht mehr total reflektiert, sondern tritt durch den Silikonmantel und wird in der Umgebung des Sensorkopfs absorbiert. Damit tritt im Sensorkopf eine starke Dämpfung des Lichtes auf. Die zweite Anschlußleitung führt die verbleibenden Lichtstrahlen, die im Sensorkopf totalreflektiert werden, nahezu ungedämpft zurück zur Photodiode 5, Fig. 5. Dies bewirkt, daß die von der Photodiode 5 Fig. 5 empfangene Lichtleistung erheblich geringer ist, als die von der Leuchtdiode 4 Fig. 5 eingekoppelte Lichtleistung.
Die Dämpfung des Lichtes im Bereich des Sensorkopfs Sp1 hängt von
den Brechungsindizes n1 und n3 ab und ändert sich mit der
Temperatur wegen den unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten a1
und a3. Dadurch wird die von der Photodiode 5 gemessene
Lichtleistung temperaturabhängig und bei entsprechender Eichung
läßt sich mit einer der Photodiode 5 nachgeschalteten
Auswerteelektronik die Temperatur in der näheren Umgebung des
Sensorkopfs direkt und exakt ermitteln.
Es liegt auf der Hand, daß sich derartige Temperaturfühler aufgrund
ihres geringen Gewichtes und des geringen technischen Aufwands
besonders gut für den Einsatz in Kraftfahrzeugen oder der Luft- und
Raumfahrt eignen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die äußeren
Abmessungen, insbesondere des Sensorkopfs, infolge der
verwendeten Materialien, vorzugsweise Glasfasern, relativ groß sind.
Die großen Abmessungen resultieren aus der geringen Elastizität von
Glasfasern und demnach sind nur verhältnismäßig große
Krümmungsradien für die Spule Sp1 im Sensorkopf möglich. Um eine
ausreichende Dämpfung und Empfindlichkeit des Sensors zu
erreichen, müssen außerdem mehrere Windungen hintereinander
angeordnet werden.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik garantieren Hersteller
von Glasfasern eine Langzeitbruchfestigkeit insofern der
Krümmungsradius größer als das 600fache des Glasdurchmessers der
Glasfaser ist und eine Kurzzeitbruchfestigkeit für Krümmungsradien
größer als das 100fache des Glasdurchmessers der Glasfaser. Somit
können mit gängigen Glasdurchmessern zwischen 50 µm und 400 µm
im günstigsten Fall (Kurzzeitbruchfestigkeit) Spulendurchmesser
zwischen 10 mm und 80 mm erzielt werden.
Diese Abmessungen sind, wie schon bereits erwähnt, zu groß für
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Kraftfahrzeugbau,
zumal davon ausgegangen werden muß, daß mechanische
Belastungen durch Vibrationen und dergleichen zu einem raschen
Versagen dieser Sensorköpfe führen. Auch ergeben sich erhebliche
Meßfehler je nach Art und Weise, in welcher die Anschlußleitungen
der bekannten Sensorköpfe verlegt werden. Weisen nämlich die
beiden Anschlußleitungen eine größere Anzahl von Biegungen auf,
wirken sich diese bei einer lokalen Temperaturänderung,
beispielsweise durch Sonneneinstrahlung oder eine zu den
Anschlußleitungen nahegelegene Wärmequelle, auf die
Gesamtdämpfung (Dämpfung von Sensorkopf und
Anschlußleitungen) in der gleichen Weise aus, wie der Sensorkopf
selbst. Das heißt, die Anschlußleitungen müssen möglichst gerade,
ohne Biegungen, verlegt werden, was den Einsatz dieser Technik
weiter einschränkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
gattungsgemäßes Temperaturmeßsystem derart weiterzubilden, daß
es entgegen den vorstehend aufgezeigten Problemen beispielsweise
in den Bereichen Kraftfahrzeug-, Flugzeug- oder dergleichen
Transportmittelbau einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen neuartigen
Sensorkopf für ein Temperaturmeßsystem der Lichtleiterbauart gemäß
dem Schutzanspruch 1 sowie ein Leitungssystem gemäß Anspruch 9
für das Anschließen eines gattungsgemäßen Sensorkopfs an eine
Lichtquelle, vorzugsweise eine Leuchtdiode, und an ein
lichtempfindliches, elektrisches Bauelement, vorzugsweise einer
Photodiode, gelöst.
Die Erfindung sieht demnach gemäß Anspruch 1 vor, daß der
vorzugsweise aus einer Glasfaser oder dergleichen lichtleitfähigem
Material bestehende Leiter zur Ausbildung der innerhalb des
Sensorkopfs sich befindlichen Spule plastisch zu einer Biegung oder
Krümmung mit vorbestimmtem Radius vorgeformt ist. Auf diese Weise
kann die von der Krümmung simulierte Spule mit lediglich einem Teil
einer Spulenwindung (z. B. halbe Spulenwindung) bei einem
Durchmesser von zwischen dem 2 bis 200fache des
Leiterdurchmessers verwirklicht werden.
Nach Anspruch 9 ist es vorgesehen, das Leitersystem aus Lichtleitern
mit einem lichtleitfähigen Faserkern und einem ebenfalls
lichtleitfähigen Mantel aufzubauen. Der Faserkern besitzt dabei einen
vorbestimmten Brechungsindex und einen vorbestimmten
Temperaturkoeffizienten bezüglich des Brechungsindexes. Nach
Anspruch 10 ist ferner ein lichtleitfähiger Mantel mit einem bezüglich
des Faserkerns unterschiedlichen Brechungsindex, jedoch mit einem
im wesentlichen gleichen Temperaturkoeffizienten vorgesehen. Auf
diese Weise können Meßfehler infolge lokaler
Temperaturschwankungen im Leitungsbereich vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
übrigen Unteransprüche.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Temperaturmeßsystem gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Temperaturmeßsystem gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Variante zum Temperaturmeßsystem gemäß Fig. 2,
worin eine Kompensation der Dämpfung in den Anschlußleitungen zur
Verringerung von Meßfehlern vorgenommen wird. Die Dämpfung in
den Anschlußleitungen macht sich besonders dann bemerkbar, wenn
diese von großer Länge sind oder viele Biegungen mit kleinen
Biegeradien aufweisen.
Fig. 4a-4c zeigen Querschnitte von erfindungsgemäßen
Anschlußleitungen und Lichtleitern, wie sie in den Spulen verwendet
werden. Die Kürzel M1, M2, und M3 stehen für Materialien mit den
Brechungsindizes n1, n2 und n3 und den Temperaturkoeffizienten a1,
a2, und a3 bezüglich der Brechungsindizes n1, n2, und n3. Es gelten
folgende Beziehungen:
n1 ≠ n2 ≠ n3 ≠ n1 und a1 ≈ a2 ≠ a3 ≠ a1.
n1 ≠ n2 ≠ n3 ≠ n1 und a1 ≈ a2 ≠ a3 ≠ a1.
Dabei kann das Material M3 sowohl als Mantel aber auch als Buffer
verwendet werden.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen ein konventionelles Temperaturmeßsystem.
Gemäß der Fig. 1 besteht das Temperaturmeßsystem nach dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einem eine
temperatursensible Zone bildenden Sensorkopf 1 und zwei
Anschlußleitungen 2 und 3, die den Sensorkopf 1 an eine Lichtquelle 4,
in diesem Fall eine Leuchtdiode, und ein lichtempfindliches,
elektrisches Bauelement 5, hier eine Photodiode, wie eingangs bereits
zum Stand der Technik beschrieben wurde, anschließen. Innerhalb des
Sensorkopfs 1 befindet sich eine Spule aus einem lichtleitfähigen, d. h.
einem transparenten, dielektrischen Material, in diesem
Ausführungsbeispiel eine Glasfaser M1 als Lichtleiter, welche von
einem Sensorkopfgehäuse 7 umschlossen ist. Der Träger 7 besteht
vorzugsweise aus einem Silikonmaterial M3, welches um die Spule
gegossen ist und diese quasi zu einer integralen Baueinheit umschließt
oder aus einem anderen Material, wie beispielsweise ein Glas-
Keramik- oder Kunststoffmaterial. Der die Spule 6 ausbildende
Lichtleiter ist erfindungsgemäß im wesentlichen auf die Spulenform,
d. h. auf den Spulendurchmesser und die vorbestimmte Windungszahl
bereits plastisch vorgeformt.
An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, daß für die
Eigenschaften der verwendeten Materialien M1 und M3 insbesondere
hinsichtlich der Brechungsindizes n1 von M1 und n3 von M3 sowie der
Temperaturkoeffizienten bezüglich der Brechungsindizes n1 (=f(n1, T))
und n3 (=f(n3, T)) selbstverständlich die gleichen Beziehungen für die
Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Meßsystems gelten
müssen, wie sie bereits eingangs zum Stand der Technik beschrieben
wurden, so daß an dieser Stelle auf die entsprechenden Textstellen
der Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann.
Wie aus der Fig. 1 ferner zu entnehmen ist, weist die
erfindungsgemäße Spule 6 lediglich eine halbe Windung d. h. eine
Windung von 180° mit einem Windungsdurchmesser von dem 2 bis
200fachen des Durchmessers des verwendeten Glasfaserkerns M1
auf. In diesem Beispiel beträgt der Spulendurchmesser demnach
zwischen 100 µm und 8 cm für Glasfaserkerne zwischen 50 µm und
400 µm Versuche haben darüber hinaus ergeben, daß solche enge
Biegeradien von 50 µm bis 4 cm bei nahezu unveränderter
mechanischer Belastbarkeit, insbesondere hinsichtlich der
Langzeitbruchsicherheit gegenüber handelsüblichen Glasfasern
realisierbar sind und zwar durch plastische Vorverformung wie Erhitzen
und Biegen der Glasfaser. Es hat sich dabei gezeigt, daß durch die
Verwendung der plastisch zur Spule 6 vorgeformten und anschließend
mit dem Sensorkopfmaterial M3 umgossenen Glasfaser bereits eine
halbe Windung, wie in Fig. 1 angedeutet wird, ausreicht, um eine
ausreichende Dämpfung des Lichtes innerhalb des Meßkopfs 1 bei
einem ausreichend großen Temperaturmeßbereich zu erzielen. Auf
diese Weise ist es nunmehr möglich, den erfindungsgemäßen
Sensorkopf 1 gegenüber dem Stand der Technik erheblich in seinen
Abmessungen zu verkleinern und darüber hinaus die mechanische
Belastbarkeit hinsichtlich Vibrationen und Schlageinwirkungen
aufgrund geringer Baugröße sowie Spulenwindungszahl zu steigern.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Temperatursystems, welches gegenüber dem
ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine einfachere Installation bei
gleicher Meßleistung ermöglicht.
Gemäß Fig. 2 ist der Sensorkopf 1 im Unterschied zum Sensorkopf nach
Fig. 1 über nur eine Anschlußleitung 2 und über eine Zweigstelle 9
(Y-Koppler) an die Leucht- und Photodiode 4 und 5 angeschlossen.
Zur Erreichung der Funktionsfähigkeit ist im zweiten Ausführungsbeispiel
hingegen ein Reflektor 8 vorgesehen, der an einem freien Ende der
Glasfaserspule 6 noch innerhalb des Sensorkopfs 1 angeordnet ist und
der durch die Spule 6 geleitetes Licht reflektiert.
Das Funktionsprinzip des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dabei
exakt jenem des Standes der Technik. Erfindungsgemäß wird jedoch
das von der Leuchtdiode ausgestrahlte Licht nach einem ersten
Durchlaufen der Spule 6 durch den Reflektor 8 zurückgeworfen und
nach einem zweiten Spulendurchlauf wird ein Teil des
zurückgeworfenen Lichtes im Y-Koppler 9 über den zum Y-Koppler 9
gehörenden Lichtleiter 15 in Richtung der Photodiode 5 abgelenkt.
Die Vorteile dieser Ausführung liegen auf der Hand. Zum Einen wird nur
eine Anschlußleitung 2 benötigt, während die zum Y-Koppler 9
gehörenden Lichtleiter 15 und 14 beliebig kurz gewählt werden
können. Zum Änderen ist die Dämpfung im Sensorkopf 1 auf Grund
der simulierten doppelten Spulenwindungszahl erheblich höher, so
daß ein breiterer Temperaturmeßbereich und eine höhere
Meßgenauigkeit erzielt werden kann.
Die Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des
Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 2. Der Aufbau und die
Funktionsweise des Temperaturmeßsystems nach Fig. 3 entsprechen im
wesentlichen jenen des zweiten Ausführungsbeispiels, so daß auf eine
diesbezügliche, erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet
werden kann.
Es hat sich wie bereits in der Beschreibungseinleitung angedeutet
wurde, indessen gezeigt, daß sich erhebliche Meßfehler durch eine
überhöhte Dämpfung in den Anschlußleitungen 2 und 3 infolge lokaler
Wärmeeinwirkungen sowie infolge der Art der Verlegung (kleine
Biegeradien) ergeben können, welche die Meßergebnisse soweit
verfälschen, daß eine Anwendung dieser Temperaturmeßtechnik
beispielsweise im Kraftfahrzeugbau oder in der Luft- und Raumfahrt,
bisher nicht möglich zu sein schien. Die Dämpfung in den
Anschlußleitungen stellt damit je nach Applikation die nicht zu
vernachlässigende Störgröße 1 dar.
Das zweite Ausführungsbeispiel eignet sich nunmehr bei
entsprechender Abwandlung nach Fig. 3 besonders zur Kompensation
der genannten Störgröße 1. Damit ist eine Kompensation der
Dämpfung in den Anschlußleitungen gemeint. Gemäß der Fig. 3 ist
zusätzlich zur der bisher verwendeten Leucht- und
Photodiodenanordnung ein zusätzliches lichtempfindliches,
elektrisches Bauelement 10, vorzugsweise eine Zusatzphotodiode,
vorgesehen, die über den Lichtleiter 11 des Y-Kopplers 12 sowie über
die Anschlußleitung 16 an den Reflektor 8 innerhalb des Sensorkopfs 1
angeschlossen ist. Der verbleibende Lichtleiter 13 von Y-Kopplers 12
ist mit der Leuchtdiode 4 verbunden. Die Funktionsweise dieser
Kompensationsschaltung läßt sich dabei wie folgt beschreiben:
Wie im zweiten Ausführungsbeispiel wird von der Leuchtdiode 4
ausgestrahltes Licht über den Lichtleiter 14 des Y-Kopplers 9 und über
die Anschlußleitung 2 zum Sensorkopf 1 geleitet, vom Reflektor 8
reflektiert und schließlich von der Photodiode 5 über den Lichtleiter 15
aufgefangen. Abhängig von der Temperatur im Umgebungsbereich
des Sensorkopfs 1 wird dabei das Licht beim Durchlaufen der
Glasfaserspule 6 im Sensorkopf 1 gedämpft. Eine weitere Dämpfung
tritt, wie vorstehend als Störgröße 1 beschrieben, auch in der
Anschlußleitung 2 auf, wodurch sich das Meßergebnis verfälscht.
Gemäß Fig. 3 wird jedoch Licht vorbestimmter Lichtleistung über den
Lichtleiter 13 des Y-Kopplers 12 in die zur Anschlußleitung 2 parallel
laufende Anschlußleitung 16 geleitet, am Reflektor 8 ohne
durchlaufen der Spule 6 reflektiert und mit der Zusatzphotodiode 10
über den Lichtleiter 11 erfaßt. Damit lassen sich die Dämpfung in der
Anschlußleitung sowie darüber hinaus Schwankungen in der
Lichtausbeute der Leuchtdiode 4 (Störgröße 2) genau quantifizieren.
Eine nachgeschaltete Auswerteelektronik bezieht dann die so
quantifizierten Störgrößen 1 und Störgröße 2 in die Berechnung der zu
messenden Temperatur mit ein und ermöglicht eine fehlerfreie
Messung.
Eine alternative oder additive Möglichkeit der Verringerung von
Störungseinflüssen in den Anschlußleitungen zeigt das
Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4b.
In Fig. 4b ist der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Lichtleiters für
den Anschluß eines gattungsgemäßen Sensorkopfs an eine Leucht- und
Photodiode dargestellt.
Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, sind die
Anschlußleitungen 2, 3 und 16 gemäß der Fig. 1 bis 3 einstückig oder
über geeignete Kopplungselemente mit dem Sensorkopf verbunden
und weisen demnach einen Faserkern M1 aus einem transparenten
dielektrischen Material, ausführungsgemäß eine Glasfaser, und einen
Mantel M3 vorzugsweise aus Silikon oder einem ähnlichen Material
auf. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4b wird nunmehr der Mantel
M3 durch einen Mantel M2 zum Beispiel aus dotiertem Quarzglas
ersetzt. Dabei müssen sowohl der Faserkern M1 als auch der Mantel
M2 die gleichen Basismaterialien je doch unterschiedliche
Dotierungskonzentrationen aufweisen (man spricht z. B. von einer
Quarz/Quarz-Faser), so daß die folgenden Beziehungen gelten:
a1 (von M1) = a2 (von M2)
und
n1 (von M1) ≠ n2 (von M2).
und
n1 (von M1) ≠ n2 (von M2).
Durch den Mantel M2 wird erreicht, daß sich eine nahezu konstante,
temperaturunabhängige Dämpfung in den Anschlußleitungen ergibt,
entsprechend des vorbestimmten Unterschieds zwischen den
Brechungsindizes n1 und n2 welcher infolge gleicher
Temperaturkoeffizienten a1 und a2 auch bei
Temperaturschwankungen konstant bleibt. Bei Berücksichtigung dieser
konstanten, temperaturunabhängigen Dämpfung in der
Auswerteelektronik kann die zu messende Temperatur fehlerfrei
ermittelt werden. Bei entsprechender Wahl der Brechungsindizes n1
und n2 sowie des Material M3 des Träges 7 ist es auch möglich eine
solche Quarz/Quarz-Faser für den Sensorkopf zu verwenden
(vergleiche Fig. 4c), so daß eine einstückige Ausbildung des gesamten
Temperaturmeßsystems möglich ist.
Claims (12)
1. Sensorkopf (1) für ein Temperaturmeßsystem mit einem
transparenten, Faserkernmaterial (M1), das einen vorbestimmten
Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1)
bezüglich des Brechungsindex (n1) besitzt und das unter Ausbildung
einer Spule (6) von einem Mantel (M3) umgeben ist, welcher einen
zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n3)
und einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen
Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindex (n3) hat,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Fasermaterial (M1) zur Ausbildung der Spule (6) zu einer zumindest
einen innerhalb des Sensorkopfs (1) sich befindenden Krümmung mit
einem vorbestimmten Krümmungsradius plastisch vorgeformt ist.
2. Sensorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Krümmungsdurchmesser das 2 bis 200fache und vorzugsweise
das 3 bis 80fache des Durchmessers des verwendeten Fasermaterials
(M1) beträgt.
3. Sensorkopf nach einem der vorstehenden Ansprüchen dadurch
gekennzeichnet, daß
der Sensorkopf (1) über eine erste, lichtleitende Anschlußleitung (2) an
eine Lichtquelle (4), vorzugsweise eine Leuchtdiode, und über eine
zweite, lichtleitende Anschlußleitung (3) an ein lichtempfindliches,
elektrisches Bauelement (5), vorzugsweise eine Photodiode,
angeschlossen ist.
4. Sensorkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnete daß
an einem freien Ende der Spule (6) ein Reflektor (8) angeordnet ist,
der das auftreffende Licht zurück in die Spule reflektiert und daß
die Anschlußleitung (2) mit einem Y-Koppler (9) verbunden ist, dessen
Lichtleiteranschluß (15) einen Teil des reflektierten Lichtes zu einem
lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (5), vorzugsweise einer
Photodiode, leitet.
5. Sensorkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
ein weiterer Y-Koppler (12) vorgesehen ist, über dessen
Lichtleiteranschluß (13) Licht vorbestimmter Leistung in eine
Kompensationsleitung (16), die mit dem Reflektor unter Umgehung der
Spule verbunden ist, eingespeist wird und daß
ein Teil dieses an Reflektor (8) reflektierten Lichtes über einen
Lichtleiteranschluß (11) des Y-Kopplers (12) von einem zusätzlichen,
lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (10), vorzugsweise einer
Zusatzphotodiode, erfaßt wird.
6. Sensorkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnete daß
die Kompensationsleitung (16) im wesentlichen dem Streckenverlauf
der Anschlußleitung (2) folgt.
7. Sensorkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß
die Krümmung zur Ausbildung der Spule (6) im wesentlichen 180°
beträgt.
8. Sensorkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Faserkernmaterial (M1) von einem transparenten Mantel aus dem Material (M2) umgeben ist, der einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n2) hat und einen Temperaturkoeffizienten (a2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) hat, der nahezu gleich dem Temperaturkoeffizienten (a1) des Faserkernmaterials (M1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) ist, und daß
der Mantel (M2) wiederum von einem Buffer aus dem transparenten Material (M3) umgeben ist, der den Mantel vollständig umschließt und der einen zum Mantelmaterial (M2) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) hat und der einen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) besitzt, der von dem Temperaturkoeffizienten (a2) des Mantels (M2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) verschieden ist.
das Faserkernmaterial (M1) von einem transparenten Mantel aus dem Material (M2) umgeben ist, der einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n2) hat und einen Temperaturkoeffizienten (a2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) hat, der nahezu gleich dem Temperaturkoeffizienten (a1) des Faserkernmaterials (M1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) ist, und daß
der Mantel (M2) wiederum von einem Buffer aus dem transparenten Material (M3) umgeben ist, der den Mantel vollständig umschließt und der einen zum Mantelmaterial (M2) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) hat und der einen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) besitzt, der von dem Temperaturkoeffizienten (a2) des Mantels (M2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) verschieden ist.
9. Anschlußleitungssystem vorzugsweise für einen Sensorkopf (1) mit
den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem
transparenten Faserkernmaterial (M1) mit einem Brechungsindex (n1)
und einem Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des
Brechungsindex (n1), der von einem Mantel aus zumindest einem
transparenten Material (M2, M3) umgeben ist, der einen zum
Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n2, n3) hat
und der einen Temperaturkoeffizienten (a2, a3) bezüglich des
Brechungsindex (n2, n3) aufweist.
10. Anschlußleitungssystem nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Material M2 des Mantels einen Temperaturkoeffizienten (a2)
bezüglich des Brechungsindex (n2) aufweist, der mit dem
Temperaturkoeffizienten (a1) des Faserkernmaterials (M1) nahezu
identisch ist.
11. Anschlußleitungssystem nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Faserkernmaterial (M1) aus Quarz und das Mantelmaterial (M2)
aus dem gleichen Basismaterial wie das Faserkernmaterial (M1)
besteht, jedoch eine unterschiedliche Dotierungskonzentration
aufweist.
12. Anschlußleitungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
welches einen Sensorkopf (1) zur Temperaturerfassung über eine
Anschlußleitung (2) und über einen ersten Lichtleiteranschluß (14)
eines Y-Kopplers (9) mit einer Lichtquelle (4), vorzugsweise einer
Leuchtdiode, sowie über einen zweiten Lichtleiteranschluß (15) des
Y-Kopplers (9) mit einem lichtempfindlichen, elektrischen
Bauelement (5), vorzugsweise einer Photodiode, verbindet, dadurch
gekennzeichnet, daß
ein zusätzliches, lichtempfindliches, elektrisches Bauelement (10),
vorzugsweise eine Zusatzphotodiode, vorgesehen ist, die über einen
Lichtleiteranschluß (11) eines weiteren Y-Kopplers (12) und eine
Kompensationsleitung (16) mit einem im Bereich oder innerhalb des
Sensorkopfs (1) angeordneten Reflektor (8) verbunden ist, wobei über
den Lichtleiteranschluß (13) des Y-Kopplers (12) Licht vorbestimmter
Leistung von der Lichtquelle (4), vorzugsweise einer Leuchtdiode,
eingespeißt wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995102007 DE19502007C2 (de) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für eine Temperaturmeßvorrichtung |
DE1996120168 DE19620168C2 (de) | 1995-01-24 | 1996-05-20 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995102007 DE19502007C2 (de) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für eine Temperaturmeßvorrichtung |
DE1996120168 DE19620168C2 (de) | 1995-01-24 | 1996-05-20 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19502007A1 true DE19502007A1 (de) | 1996-07-25 |
DE19502007C2 DE19502007C2 (de) | 1998-04-16 |
Family
ID=26011811
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995102007 Expired - Fee Related DE19502007C2 (de) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für eine Temperaturmeßvorrichtung |
DE1996120168 Expired - Fee Related DE19620168C2 (de) | 1995-01-24 | 1996-05-20 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996120168 Expired - Fee Related DE19620168C2 (de) | 1995-01-24 | 1996-05-20 | Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (2) | DE19502007C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19817719A1 (de) * | 1998-04-21 | 1999-10-28 | Joachim Denker | Optischer Koppler für Polymer-Lichtwellenleiter |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2457903B (en) * | 2008-02-27 | 2012-06-20 | Dublin Inst Of Technology | A temperature sensor device |
DE102009035937A1 (de) | 2009-08-03 | 2010-09-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Temperatursicherung, elektrische Verbindung mit einer Temperatursicherung sowie Signalleitung als Temperatursicherung |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2941677A1 (de) * | 1978-10-20 | 1980-04-30 | Honeywell Inc | Temperatur-messanordnung |
DE3808235A1 (de) * | 1987-03-11 | 1988-10-27 | Plessey Overseas | Mit lichtleitfasern arbeitende fuehleranordnung |
FR2664695A1 (fr) * | 1990-07-12 | 1992-01-17 | Univ Pasteur | Capteur de temperature a fibre optique. |
-
1995
- 1995-01-24 DE DE1995102007 patent/DE19502007C2/de not_active Expired - Fee Related
-
1996
- 1996-05-20 DE DE1996120168 patent/DE19620168C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2941677A1 (de) * | 1978-10-20 | 1980-04-30 | Honeywell Inc | Temperatur-messanordnung |
DE3808235A1 (de) * | 1987-03-11 | 1988-10-27 | Plessey Overseas | Mit lichtleitfasern arbeitende fuehleranordnung |
FR2664695A1 (fr) * | 1990-07-12 | 1992-01-17 | Univ Pasteur | Capteur de temperature a fibre optique. |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JP 63-78031 (A) in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 307, 12. Aug. 1988, P-747 * |
Z: Laser und Optoelektronic, Nr. 3, 1983, S. 226-234 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19817719A1 (de) * | 1998-04-21 | 1999-10-28 | Joachim Denker | Optischer Koppler für Polymer-Lichtwellenleiter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19620168C2 (de) | 2001-02-01 |
DE19502007C2 (de) | 1998-04-16 |
DE19620168A1 (de) | 1997-12-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102016100432B4 (de) | Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur | |
DE69912301T2 (de) | Sensor zur messung mechanischer spannungen mit fiber-optischen bragg gittern | |
DE10012291C1 (de) | Verfahren zur faseroptischen Temperaturmessung und faseroptischer Temperatursensor | |
DE68923328T2 (de) | Verfahren zur Herstellung einer optischen Komponente. | |
DE3331790C2 (de) | ||
DE3479448T2 (de) | Optische wellenleiter. | |
DE3880013T2 (de) | Faseroptisches Dämpfungsglied. | |
EP0763724B1 (de) | Faseroptischer Belastungssensor | |
DE102016107276B4 (de) | Thermisch kompensierte und mit feder gespannte kompakte faser-bragg-gitter-wellenlängen-filtereinrichtung | |
DE2819590A1 (de) | Vorrichtung zur messung der in einem festen koerper vorliegenden spannung | |
DE69937612T2 (de) | Faseroptischer temperatursensor | |
DE3208512A1 (de) | Faseroptische sensorvorrichtung zum messen eines physikalischen parameters | |
SE443656B (sv) | Mikrobojkenslig optisk fiberkabel | |
DE3638345A1 (de) | Einrichtung und verwendung eines lichtwellenleiter-sensors fuer minimale dehnungen | |
DE4332621A1 (de) | Meßeinrichtung zur Überwachung von Bauwerken, Geländebereichen oder dergleichen | |
DE19502007A1 (de) | Temperaturmeßsystem | |
DE3141904A1 (de) | Steckverbinder fuer lichtwellenleiter | |
EP2064531B1 (de) | Ferrule für eine evaneszenzfeldsensorleitung | |
DE102019132569B3 (de) | Multikernfaser mit Multikern-Faserkomponenten sowie Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE3942556C2 (de) | ||
DE3831322A1 (de) | Loesbare verbindung fuer optische fasern | |
DE8915071U1 (de) | Temperatur-unempfindlicher Lichtwellenleiter-Dehnungssensor | |
DE3816045C2 (de) | ||
EP0538879A1 (de) | Wellenlängenfilter für Lichtwellenleiter | |
DE3742331C2 (de) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19620168 Format of ref document f/p: P |
|
AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19620168 Format of ref document f/p: P |
|
D2 | Grant after examination | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ECKERLE, MICHAEL, DR.-ING., 64625 BENSHEIM, DE |
|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19620168 Format of ref document f/p: P |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |