DE19620168A1 - Temperaturmeßsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes, der einen gebogenen Lichtleiter mit einem Kern aus dem transparentem Material aufweist, das einen vorbestimmten Brechungsindex und einen Temperaturkoeffizienten bezüglich des Brechungsindexes besitzt, mit einem dem Lichtleiterkern umgebenden Mantel, welcher einen zum Lichtleiterkern unterschiedlichen Brechungsindex hat, und der einen zum Lichtleiterkern unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten bezüglich des Brechungsindexes aufweist, sowie gegebenenfalls mit einem den Mantel umgebenden Jacket, wobei das gegebenenfalls vorhandene Jacket und gegebenenfalls der Mantel im Bereich des späteren Sensorkopfes entfernt werden, nach Patentan­ meldung 195 02 007.3-52.

In der Patentanmeldung 195 02 007.3-52 ist zum Stand der Technik (Fig. 1) die Patentanmeldung FR-90 090 75 genannt, aus der ein Temperaturmeßsystem mit einem Temperaturfühler, bzw. Sensorkopf S1 mit zwei Anschlußleitungen bekannt ist, die einstückig mit dem Sensorkopf verbunden sind. Der Sensorkopf ist eine Spule Sp aus einem Lichtleiter, vorzugsweise einer Glasfaser, mit einem Lichtleiterkern, der einen vorbestimmten Brechungsindex sowie einen ebenfalls vorbestimmten Temperaturkoeffizienten bezüglich des Brechungsindexes hat, und der von einem lichtleitfähigen Mantel vorzugsweise aus Silicon umgeben ist.

Die Spule ist an einem ihrer Enden über eine erste der Anschlußleitungen mit einer Leuchtdiode verbunden, während an dem anderen Ende der Spule über die zweite Anschlußleitung eine Photodiode angeschlossen ist. Die Anschlußleitungen weisen einen Kern aus Glas auf, der mit einer Siliconschicht ummantelt ist.

Auf Grund der Geometrie der Spule mit ihrer Biegung unterliegt ein großer Teil der Lichtstrahlen nicht, wie in den geraden Anschlußleitungen, der Totalreflexion, sondern tritt durch den Siliconmantel und wird in der Umgebung des Sensorkopfes absorbiert. Damit tritt im Sensorkopf eine starke Dämpfung des Lichtes auf. Die Dämpfung des Lichtes im Bereich des Sensorkopfes ändert sich mit der Temperatur.

Dadurch wird die von der Photodiode gemessene Lichtleistung temperaturabhängig und bei entsprechender Eichung läßt sich mit einer der Photodiode nachgeschalteten Auswerteelektronik die Temperatur in der näheren Umgebung des Sensorkopfes direkt 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 in der Luft- und Raumfahrt eignen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die äußeren Abmessungen, insbesondere des Sensorkopfes, infolge der verwendeten Materialien, vorzugsweise Glasfasern, relativ groß sind.

Die großen Abmessungen resultieren aus der geringen Elastizität von Lichtleitern beziehungsweise 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 speziell die Hersteller von Glasfasern eine Langzeitbruchfestigkeit für Krümmungsradien größer als das 600-fache des Glasdurchmessers der betreffenden Glasfaser und eine Kurzzeitbruchfestigkeit für Krümmungsradien größer als das 100-fache des Glasdurchmessers. 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 (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, also 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-Transport­ mittelbau oder dergleichen einsetzbar wird.

Entsprechend der Stammanmeldung wird dies erreicht, indem vom Lichtleiter das Jacket und gegebenenfalls der Buffer sowie gegebenenfalls der Mantel im Bereich des späteren Sensorkopfes entfernt wird, und daß dieser Bereich unter Hitzeeinwirkung soweit erwärmt wird, daß eine anschließende plastische Verformung zu wenigstens einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des verwendeten Lichtleiters erfolgt, und daß dann der Kopfbereich mit einer Umhüllung (Träger) 7 aus lichtleitfähigem Material (Trägermaterial) versehen wird. Das Jacket und gegebenenfalls der Buffer umgeben schützend den Lichtwellenleiter, wobei das Jacket die äußere und der Buffer die darunterliegenden Schutzhülle bildet, die wiederum Mantel und Kern umgeben.

Durch das plastische Verformen und durch das Erhitzen des Lichtleiters im Bereich des Sensorkopfes werden die elastischen Spannungen aus dem Material genommen, woraus in der verformten Lage dann die hohe Langzeitfestigkeit und die mechanische Stabilität resultiert. Durch die nun sehr kleinen Biegeradien, die nur bei plastischer Verformung des Lichtleiters möglich sind, läßt sich ein Sensorkopf realisieren, der wesentlich kleiner ist als bisher. Ein solcher Sensorkopf ist problemlos einsetzbar, gerade in den Bereichen Kraftfahrzeug-, Flugzeug- und Raumfahrttechnik, sowie überall dort, wo unter beengten Verhältnissen schwierig zugängliche Stellen vorhanden sind.

Außerdem wird der Meßbereich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik vervielfacht und linearisiert, woraus sich weitere enorme Vorteile ergeben.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus, wobei dieses Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei Lichtleiter mit ihren freigelegten Bereichen nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, daß sie an ihren Enden unter Bildung einer gebogenen Verbindung zusammenschmelzen.

Damit ist eine weitere Möglichkeit zur Herstellung engster Biegeradien geschaffen. Bevorzugt werden die beiden Lichtleiter mit ihren freigelegten Bereichen direkt und unmittelbar nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt, daß sie an ihren Enden unter Bildung einer gebogenen Verbindung verschmelzen.

In der Praxis werden die nebeneinander angeordneten Lichtleiter, vorzugsweise Glasfasern, an ihren freien Enden mit Hilfe einer Flamme oder eines Lichtbogens zum Schmelzen gebracht. Durch das Zusammenspiel zwischen Kohäsion und Gravitation sowie durch die passende Dosierung von Temperatur und Dauer der Erwärmung lassen sich die Enden der Lichtleiter so verschmelzen, daß eine lichtleitende Verbindung mit minimalem Radius entsteht.

Zweckmäßiger Weise wird in der Verschmelzungszone ein transparentes Trägermaterial mit einem zum Kern- und gegebenenfalls Mantelmaterial unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufgebracht.

Bei einem nach dem Verfahren gemäß Anspruch 6 hergestellten Sensorkopf ist kennzeichnend, daß der Lichtleiterkern zur Ausbildung der Spule zu einer zumindest innerhalb des Sensorkopfes sich befindenden Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius durch Verschmelzen vorgeformt ist, und daß der Krümmungsdurchmesser weniger als das 100-fache des Durchmesser des verwendeten Lichtleiters beträgt.

Durch das plastische Verformen sowie durch das Erhitzen des Lichtleiters im Bereich des Sensorkopfes werden die elastischen Spannungen aus dem Material genommen. Dadurch erreicht man in verformten Lage eine hohe Langzeitfestigkeit und eine große mechanische Stabilität. Außerdem sind durch das Verschmelzen kleinste Biegeradien möglich.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Figuren noch näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 den Aufbau eines Temperatursensors mit einer Spule, die temperatursensiblen Zone bildet, den Anschlußleitungen, der Lichtquelle und dem lichtempfindlichen Bauelement zur Messung der Temperatur,

Fig. 2 Querschnitte von verschiedenen Anschlußleitungen und Lichtleitern nach dem derzeitigen Stand der Technik, auf dem die Erfindung aufbaut,

Fig. 3 ein Temperaturmeßsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 ein Temperaturmeßsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine Variante eines Temperaturmeßsystems,

Fig. 6a und Fig. 6b Lichtleiter vor und nach dem Verschmelzen ihrer Enden bei dem der Kern-Mantelaufbau des ursprünglichen Lichtleiters in der temperatursensiblen (gebogenen) Zone erhalten bleibt und

Fig. 7a und Fig. 7b Lichtleiter vor und nach dem Verschmelzen ihrer Enden bei dem nur der Kern des ursprünglichen Lichtleiters in der temperatursensiblen (gebogenen) Zone erhalten bleibt.

Die nachfolgend verwendeten Kürzel M1, M2, M3 und M4 stehen für Materialien mit den Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4 und den Temperaturkoeffizienten a1, a2, a3 und a4 bezüglich der Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4. Dabei gilt, daß die Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4 alle voneinander verschieden sind, daß a1 ≈ a2 und daß a2, a3 und a4 alle voneinander verschieden sind. Dabei kann das Material M3 sowohl Mantel als auch Buffer sein. J bezeichnet das Jacket, die Schutzumhüllung.

Gemäß der Fig. 3 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 Sensorkopfes 1 befindet sich eine Spule aus bis zu 2 transparenten Materialien, in diesem Ausführungsbeispiel ein Lichtleiterkern M1, der gegebenenfalls von einem Mantel aus dem Material M2 umgeben ist. Die transparenten Materialien sind von einem Träger (Gehäuse) 7 umschlossen. Der Träger 7 besteht aus dem Material M3 oder M4 vorzugsweise aus Silicon oder aus einem anderen Material, wie beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, welches die Spule umgibt und diese quasi zu einer integralen Baueinheit umschließt. Die die Spule 6 ausbildenden, transparenten Materialien sind 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, M2, M3 und M4 insbesondere hinsichtlich ihrer Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4 sowie für die dazugehörigen Temperaturkoeffizienten a1 bis a4 die gleichen Beziehungen für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Meßsystems gelten müssen, wie sie bereits beschrieben wurden, so daß an dieser Stelle auf die entsprechenden Textstellen der Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann.

Wie aus der Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, weist die erfindungsgemäße Spule 6 lediglich eine halbe Windung, das heißt eine 180°-Schleife auf, mit einem Windungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des verwendeten Lichtleiters. Versuche haben ergeben, daß solche enge Biegeradien bei nahezu unveränderter mechanischer Belastbarkeit, insbesondere hinsichtlich der Langzeitbruchsicherheit gegenüber handelsüblichen Lichtleitern realisierbar sind und zwar durch plastische Vorverformung wie Erhitzen und Biegen der Lichtleiter oder durch das Verschmelzen zweier Lichtleiterenden. Es hat sich dabei gezeigt daß durch die Verwendung des plastisch zur Spule 6 vorgeformten Lichtleiters, der anschließend mit dem Sensorkopfmaterial M3 oder M4 vergossen wird, bereits eine halbe Windung, wie in Fig. 3 angedeutet wird, ausreicht, um eine ausreichende Dämpfung des Lichtes innerhalb des Meßkopfes 1, und einen darüber hinaus vergrößerten 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 außerdem die mechanische Belastbarkeit hinsichtlich Vibrationen und Schlageinwirkungen aufgrund geringerer Baugröße sowie der kleineren Spulenwindungszahl zu steigern.

Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, sind die Anschlußleitungen 2, 3 und 16 gemäß der Fig. 3 bis Fig. 5 einstückig oder über geeignete Kopplungselemente mit dem Sensorkopf verbunden und weisen demnach einen Lichtleiterkern M1 aus einem transparenten Material, vorzugsweise Quarzglas, und einen Mantel M3 vorzugsweise aus Silicon oder einem ähnlichen Material auf. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2b wird nunmehr der Mantel M3 durch einen Mantel M2 zum Beispiel aus dotiertem Quarzglas ersetzt. Folglich bestehen Kern M1 und Mantel M2 aus dem gleichen Basismaterial. Sie zeichnen sich jedoch durch unterschiedliche Dotierungskonzentrationen aus. Diesbezüglich spricht man nach dem Stand der Technik von einem Quarz/Quarz-Lichtleiter und es gelten die folgenden Beziehungen:

a1 (von M1) = a2 (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 der vorbestimmten Differenz der Brechungsindizes n1 und n2. Die Berücksichtigung der Dämpfung in den Anschlußleitungen führt zur fehlerfreien Temperaturbestimmung in der Auswerteelektronik. Bei entsprechender Wahl der Brechungsindizes n1 und n2 sowie des Materials M3 oder M4 des Trägers 7, ist es erfindungsgemäß möglich, einen Quarz/Quarz-Lichtleiter für den Sensorkopf zu verwenden. Somit ist eine einstückige Ausbildung des gesamten Temperaturmeßsystems realisierbar.

Die Fig. 6a und 7a zeigen zwei parallel zueinander angeordnete Lichtleiter, die gemäß Fig. 6b beziehungsweise Fig. 7b an ihren freien Enden miteinander verschmolzen sind.

Diese Verschmelzung zweier Lichtleiter stellt eine weitere Möglichkeit zur Erstellung engster Biegeradien dar. Dabei werden die Lichtleiter nebeneinander angeordnet, wie dies in Fig. 6a beziehungsweise Fig. 7a gezeigt ist. Die Enden werden durch Erwärmung zum Beispiel mit einer Flamme oder einem Lichtbogen zum Verschmelzen gebracht. Das Zusammenspiel zwischen Kohäsion und Gravitation sowie die richtige Dosierung von Temperatur und Dauer der Erwärmung lassen die Enden der Lichtleiter so verschmelzen, daß eine lichtleitende Verbindung mit minimalem Radius entsteht, wie dies in Fig. 6b und Fig. 7b erkennbar ist. Anschließend wird in der Verschmelzungszone 17 ein transparentes Material M3 oder M4 aufgebracht, das ein zum Material M1 oder M2 unterschiedliches Temperaturverhalten bezüglich der Brechungsindizes aufweist. Dieses Verfahren zur Erzeugung enger Biegeradien kann sowohl bei Lichtleitern angewandt werden, deren Kern- und Mantelmaterialien gleich sind aber unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wie zum Beispiel ein Quarz/Quarz-Lichtleiter (Fig. 6a und Fig. 6b) oder deren Kern- und Mantelmaterialien verschieden sind (Fig. 7a und Fig. 7b) und beispielsweise aus Quarz M1 und Silicon M3 bestehen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes, der einen gebogenen Lichtleiter mit einem Kern aus dem transparentem Material (M1) aufweist, das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) besitzt, mit einem den Lichtleiterkern umgebenden Mantel (M3), welcher einen zum Lichtleiterkern (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) hat, und der einen zum Lichtleiterkern (M1) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) aufweist, sowie gegebenenfalls mit einem den Mantel umgebenden Jacket, wobei das gegebenenfalls vorhandene Jacket und gegebenenfalls der Mantel im Bereich des späteren Sensorkopfes entfernt werden, nach Patentanmeldung 195 02 007.3-52, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtleiter mit ihren freigelegten Bereichen nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, daß sie an ihren Enden unter Bildung einer gebogenen Verbindung zusammenschmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Lichtleiter mit ihren freigelegten Bereichen direkt und unmittelbar nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, daß sie an ihren Enden unter Bildung einer gebogenen Verbindung zusammenschmelzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenschmelzen unter Bildung einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Lichtleiterdurchmessers in der Verschmelzungszone erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verschmelzungszone ein transparentes Material (M3) mit einem zum Lichtleiterkern (M1) und mit einem zum gegebenenfalls vorhandenen Mantelmaterial (M2) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufgebracht wird, wobei das gegebenenfalls den Lichtleiterkern (M1) umgebende Mantelmaterial (M2) einem zum Lichtleiterkern (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n2) hat und einen Temperaturkoeffizienten (a2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) aufweist, der nahezu gleich dem Temperaturkoeffizienten (a1) des Lichtleiterkerns (M1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verschmelzungszone ein vom Aufbau des Lichtleiter unabhängiges, transparentes Material (M4), vorzugsweise Silicon, gegebenenfalls Glas oder Keramik, aufgebracht wird, wobei der Brechungsindex (n3) des Materials (M3) ungleich dem Brechungsindex (n4) des Materials (M4) ist.

6. Sensorkopf hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, für ein Temperaturmeßsystem, wobei der Sensorkopf eine temperatursensible Zone bildet und wenigstens eine daran angeschlossene, lichtleitende Anschlußleitung (2), (3) (Lichtleiter), eine Lichtquelle und ein lichtempfindliches, elektrisches Bauelement (5) aufweist, wobei die Anschlußleitung einen transparenten Lichtleiterkern (M1) hat, der einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) besitzt und der unter Ausbildung einer Spule (6) von einem Mantel (M3) umgeben ist, welcher einem zum Lichtleiterkern (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und einen zum Lichtleiterkern (M1) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterkern (M1) zur Ausbildung der Spule (6) zu einer zumindest einer innerhalb des Sensorkopfes (1) sich befindenden Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius durch Verschmelzen plastisch vorgeformt ist, und daß der Krümmungsdurchmesser weniger als das 100-fache des Durchmesser des verwendeten Lichtleiters (M1) beträgt.

7. Sensorkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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 dem lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (5), vorzugsweise einer Photodiode leitet.

8. Sensorkopf nach Anspruch 6 oder 7, 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 am Reflektor (8) reflektierten Lichtes über einen Lichtleiteranschluß (11) des Y-Kopplers (12) von einem zusätzlichen lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (10) vorzugsweise einer Zusatzphotodiode erfaßt wird, und daß die Kompensationsleitung (16) im wesentlichen dem Streckenverlauf der Anschlußleitung (2) folgt.

9. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung zur Ausbildung der Spule (6) im wesentlichen 180° beträgt.