DE19620168C2 - Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes sowie Sensorkopf für eine Temperaturmessvorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2, und 3 sowie auf einen mit diesem Verfahren hergestellten Sensorkopf nach Patent 195 02 007.
Aus dem Stand der Technik
  • 1. [1] Z.: Laser und Optoelektronik, Nr. 3, 1983, S. 226-234
  • 2. [2] FR 26 64 695 A1
  • 3. [3] JP 63-78 031 (A) in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 307, 12. August 1988, P-747
  • 4. [4] DE 29 41 677 A1
  • 5. [5] DE 38 08 235 A1
sind Temperaturmessvorrichtungen dieser Gattung bekannt.
Zum besseren Verständnis ist das Prinzip in Fig. 1 schematisch dargestellt. Gemäß der Fig. 1 sind die Temperaturmessvorrichtungen prinzipiell aus einem die Temperatur messenden Sensorkopf S1 sowie zwei Anschlussleitungen aufgebaut, die mit dem Sensorkopf verbunden sind. Der Sensorkopf selbst besteht aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material M1, mit einem vorbestimmten Brechungsindex n1 und einem Temperaturkoeffizienten a1 bezüglich des Brechungsindexes n1, der von einem transparenten Mantel M3, Fig. 5 umgeben ist. Der Mantel M3 hat den Brechungsindex n3 und einen Temperaturkoeffizienten a3 bezüglich des Brechungsindexes n3. Die Temperaturkoeffizienten a1 und a3 sind unterschiedlich.
Die Spule Sp1 in Fig. 1 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 gemäß Fig. 1 sind ebenfalls Lichtleiter.
Mit Ausnahme des in [5] erwähnten Sensors, der auf dem optischen Kerr Effekt beruht, basieren die in [1], [2], [3] und [4] beschriebenen Temperaturmessvorrichtungen auf folgendem Funktionsprinzip:
An der Schnittstelle zwischen Leuchtdiode 4, Fig. 1, und der Anschlussleitung, bestehend aus dem Lichtleiter mit dem transparenten Kernmaterial M1 und dem umgebenden Mantel M3, werden Lichtstrahlen vorbestimmter Lichtleistung unter verschiedenen Winkeln in die Anschlussleitung eingekoppelt. Diese Lichtstrahlen werden basierend auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflektion 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 Mantel M3 und wird in der Umgebung des Sensorkopfes absorbiert. Damit tritt im Sensorkopf eine starke Dämpfung des Lichtes auf. Die zweite Anschlussleitung führt die verbleibenden Lichtstrahlen, die im Sensorkopf total reflektiert werden, nahezu ungedämpft zur Photodiode 5. Dies bewirkt, dass die von der Photodiode 5 empfangene Lichtleistung erheblich geringer ist, als die von der Leuchtdiode 4 eingekoppelte Lichtleistung.
Die Dämpfung des Lichtes im Bereich des Sensorkopfes 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 durch Kalibrieren lässt sich mit einer der Photodiode 5 nachgeschalteten Auswerteelektronik die Temperatur in der näheren Umgebung des Sensorkopfes 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 Sensorkopfes, infolge der verwendeten Materialien, vorzugsweise Glasfasern, relativ groß sind.
Die großen Abmessungen resultieren aus der geringen Elastizität von Glasfasern.
Demnach sind nur verhältnismäßig große Krümmungsradien für die Spule Sp1 im Sensorkopf möglich. Um eine ausreichende Dämpfung und Empfindlichkeit des Sensors zu erreichen, werden in [1] und [2] mehrere Windungen hintereinander angeordnet.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik garantieren Hersteller von Glasfasern eine Langzeitbruchfestigkeit, insofern der Krümmungsradius größer als das 600-fache des Glasdurchmessers des Lichtleiters ist und eine Kurzzeitbruchfestig­ keit für Krümmungsradien größer als das 100-fache des Glasdurchmessers des Lichtleiters. 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 bereits erwähnt, zu groß für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Kraftfahrzeugbau. Außerdem muss davon ausgegangen werden, dass mechanische Belastungen durch Vibrationen und dergleichen zu einem raschen Versagen dieser Sensorköpfe führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Temperaturmessvorrichtung derart weiterzubilden, dass sie entgegen den aufgezeigten Problemen beispielsweise in den Bereichen Kraftfahrzeug- und Flugzeugbau oder dergleichen einsetzbar ist.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 3 aus. Danach werden zwei Lichtleiter mit ihren an den Enden freigelegten Bereichen nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt, dass sie an ihren Enden unter Bildung einer gebogenen Verbindung zusammenschmelzen. Damit ist eine Möglichkeit zur Herstellung engster Biegeradien von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des verwendeten Lichtleiters geschaffen. Mit den sehr kleinen Krümmungsradien, die nur bei plastischer Verformung oder Verschweißung von Lichtleitern möglich sind, lässt sich ein Sensorkopf realisieren, der wesentlich kleiner ist als bisher. Ein solcher Sensorkopf ist bei beengten Verhältnissen, wie sie in den Bereichen Kraftfahrzeug-, Bahn- und Flugzeugtechnik oder wie sie in der Raumfahrt vorgefunden werden, problemlos einsetzbar. Auf diese Weise werden auch die elastischen Spannungen aus dem Material genommen, woraus in der verformten Lage dann die hohe Langzeitbruchfestigkeit und mechanische Stabilität resultieren. Ein weiterer Vorteil, der sich aus den kleinen Krümmungsradien ergibt, ist die verbesserte Linearität und der erweiterte Messbereich.
Zweckmäßigerweise wird in der Verschmelzungszone ein transparentes Trägermaterial mit einem zum Material des Lichtleiters unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufgebracht.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine konventionelle Temperaturmessvorrichtung.
Fig. 2 zeigt eine Temperaturmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Temperaturmessvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Variante zur Temperaturmessvorrichtung gemäß Fig. 3, worin eine Kompensation der Dämpfung in der Anschlussleitung 2 zur Verringerung von Messfehlern vorgenommen wird. Die Dämpfung in der Anschlussleitung 2 macht sich besonders dann bemerkbar, wenn diese von großer Länge ist oder viele Biegungen mit kleinen Biegeradien aufweisen.
Fig. 5-Fig. 6 zeigen Querschnitte von Lichtleitern mit zwei- und mehrschichtigem Aufbau nach dem derzeitigen Stand der Technik, wie sie in den Temperaturmessvorrichtungen verwendet werden.
Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit unterschiedlichen Materialkombinationen der verwendeten Lichtleiter und engsten Krümmungsradien jeweils vor und nach dem Verschmelzen der Lichtleiterenden zur Bildung der temperatursensiblen Zone.
Gemäß der Fig. 2 besteht die Temperaturmessvorrichtung nach dem Ausführungs­ beispiel der Erfindung aus dem eine temperatursensible Zone bildenden Sensor­ kopf 1, zwei Anschlussleitungen 2 und 3, einer Lichtquelle 4, in diesem Fall eine Leuchtdiode, und einem lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement 5, hier eine Photodiode. Wie zum Stand der Technik erwähnt wurde, schließen die Anschlussleitungen 2 und 3 den Sensorkopf 1 an die Lichtquelle 4 und das lichtempfindliche, elektrische Bauelement 5 an. Innerhalb des Sensorkopfes 1 befindet sich eine Spule aus einem lichtleitfähigen, d. h. einem transparenten Material, in diesem Ausführungsbeispiel eine Glasfaser aus dem Material M1, welche von einem Sensorkopfgehäuse 7 umschlossen ist. Das Sensorkopfgehäuse 7 besteht aus einem Material M3 oder aus einem lichtleiterfremden Material M4, wie Glas, Keramik, Kunststoff, eine Flüssigkeit oder Gas, welches die Spule umschließt und diese quasi zu einer integralen Baueinheit werden lässt. Der die Spule ausbildende Lichtleiter ist im wesentlichen auf die Spulenform, d. h. auf den Spulendurchmesser und die vorbestimmte Windungszahl 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 a1 und a3 bezüglich der Brechungsindizes n1 und n3 selbstverständlich die gleichen Beziehungen für die Funktionsfähigkeit des Messsystems gelten müssen, wie sie eingangs zum Stand der Technik beschrieben wurden, so dass hier auf die entsprechenden Textstellen der Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Aufführungsbeispiel der Tempera­ turmessvorrichtung, welche gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine einfachere Installation bei gleicher Messleistung ermöglicht. Gemäß Fig. 3 ist der Sensorkopf 1 im Unterschied zum Sensorkopf nach Fig. 2 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 Spule 6 noch innerhalb des Sensorkopfes 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. Jedoch wird erfindungsgemäß das von der Leuchtdiode 4 ausgestrahlte Licht nach dem ersten Durchlauf der Spule 6 durch den Reflektor 8 zurückgeworfen. Nach einem zweiten Spulendurchlauf wird ein Teil des zurückgeworfenen Lichtes im Y-Koppler 9 über den 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 anderen 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. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 3. Der Aufbau und die Funktionsweise der Temperaturmessvorrich­ tung nach Fig. 4, Ausführungsbeispiel 3, entsprechen im wesentlichen jenen des zweiten Ausführungsbeispiels Fig. 3, so dass auf eine diesbezügliche, erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Es hat sich indessen gezeigt, dass sich erhebliche Messfehler durch eine überhöhte Dämpfung in den Anschlussleitungen 2 und 3 infolge lokaler Wärmeeinwirkungen sowie durch die Art der Verlegung (kleine Biegeradien) ergeben können. Diese Messfehler verfälschen die Messergebnisse soweit, 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 eine nicht zu vernachlässigende Störgröße dar.
Das zweite Ausführungsbeispiel eignet sich nunmehr bei entsprechender Abwandlung nach Fig. 4 besonders zur Kompensation der genannten Störgröße. Damit ist eine Kompensation der Dämpfung in den Anschlussleitungen gemeint. Gemäß der Fig. 4 ist zusätzlich zur der bisher verwendeten Leucht- und Photodiodenanordnung ein zusätzliches, lichtempfindliches, elektrisches Bauelement 10, vorzugsweise eine Photodiode, vorgesehen, die über den Licht­ leiter 11 des Y-Kopplers 12 sowie über die Anschlussleitung 16 an den Reflektor 8 innerhalb des Sensorkopfes 1 angeschlossen ist. Der verbleibende Lichtleiter 13 des 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 Photo­ diode 5 über den Lichtleiter 15 aufgefangen. Abhängig von der Temperatur im Um­ gebungsbereich des Sensorkopfes 1 wird dabei das Licht beim Durchlaufen der Spule 6 im Sensorkopf 1 gedämpft. Eine weitere Dämpfung tritt, wie vorstehend als Störgröße 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 Photodiode 10 über den Lichtleiter 11 erfasst. Damit lassen sich die Dämpfung in der Anschlussleitung sowie darüber hinaus Schwankungen in der Lichtausbeute der Leuchtdiode 4, die eine zweite Störgröße ist, genau quantifizieren. Eine nachgeschaltete Auswerteelektronik bezieht dann die so quantifizierten Störgrößen in die Berechnung der zu messenden Temperatur mit ein und ermöglicht eine fehlerfreie Messung.
Oft finden in der Praxis Lichtleiter mit einem mehrschichtigen Aufbau, wie in Fig. 6 dargestellt, Verwendung. Auch diese Ausführungen eines Lichtleiters eignen sich hervorragend für den Aufbau der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung. Für die Temperaturkoeffizienten a1 bezüglich des Brechungsindex n1 und a2 bezüglich des Brechungsindex n2 sowie a3 bezüglich des Brechungsindex n3 der Materialien M1, M2 und M3 gelten folgende Beziehungen:
n1 ≠ n2 ≠ n3 ≠ n1 und a1 ≈ a2 ≠ a3 ≠ a1.
Dabei wird das Material M2 für einen zum Lichtleiterkern gehörenden inneren Mantel Fig. 6 und das Material M3 für den Mantel, wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, verwendet.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (1) aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material (M1), das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindex (n1) besitzt,
mit einem den Lichtleiterkern umgebenden Material (M3), welches einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindex (n3) aufweist nach Patent 195 02 007
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material (M1) mit einem vom umgebenden Material (M3) freigelegten Endbereich nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, dass sie an ihren Enden unter Bildung einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des Kerns des Lichtleiters zusammen­ schmelzen und dass dann im Bereich dieser Verschmelzung eine Umhüllung aus transparentem Material (M3) mit einem zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und mit einem zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindex (n3), der dem des den Lichtleiterkern umgebenden Materials (M3) entspricht, angebracht wird.
2. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (1) aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material (M1), das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindex (n1) besitzt,
mit einem den Lichtleiterkern umgebenden Material (M3), welches einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindex (n3) aufweist nach Patent 195 02 007
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material (M1) mit einem vom umgebenden Material (M3) freigelegten Endbereich nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, dass sie an ihren Enden unter Bildung einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des Kerns des Lichtleiters zusammen­ schmelzen und dass dann im Bereich dieser Verschmelzung eine Umhüllung aus einem vom Aufbau des Lichtleiters verschiedenen, transparenten Material (M4), vorzugsweise Silikon, Glas, Keramik, Gas oder eine Flüssigkeit, mit einem zu den Materialien (M1, M3) des Lichtleiters unterschiedlichen Brechungsindex (n4) und mit einem zu den Materialien (M1, M3) des Lichtleiters unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a4) bezüglich der Brechungsindices (n4), angebracht wird.
3. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (1) aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material (M1), das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindex (n1) besitzt,
mit einem den Lichtleiterkern umgebenden Material (M2), welches einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns unterschiedlichen Brechungsindex (n2) und einen zum Material (M1) des Lichtleiterkerns identischen Temperaturkoeffizienten (a2) bezüglich des Brechungsindex (n2) aufweist nach Patent 195 02 007
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Lichtleiter mit einem Kern aus transparenten Materialien (M1) und einem den Lichtleiterkern umgebenden Material (M2) im Endbereich nebeneinander angeordnet und soweit erwärmt werden, dass sie an ihren Enden unter Bildung einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des Kerns des Lichtleiters zusammenschmelzen und dass dann im Bereich dieser Verschmelzung eine Umhüllung aus einem vom Aufbau des Lichtleiters verschiedenen, transparenten Material (M4), vorzugsweise Silikon, Glas, Keramik, Gas oder eine Flüssigkeit, mit einem zu den Materialien (M1, M2) des Lichtleiters unterschiedlichen Brechungsindex (n4) und mit einem zu den Materialien (M1, M2) des Lichtleiters unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a4) bezüglich der Brechungsindices (n4), angebracht wird.
4. Sensorkopf, hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3 für eine Temperaturmessvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (1) eine temperaturempfindliche Zone bildet und wenigstens eine daran angeschlossene, lichtleitende Anschlussleitung (2, 3, 16) sowie eine Lichtquelle (4) und ein lichtempfindliches, elektrisches Bauelement (5) aufweist, wobei die Anschlussleitung (2, 3, 16) aus transparentem Faserkernmaterial (M1) besteht, das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindex (n1) besitzt.
5. Sensorkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einem freien Ende der temperaturempfindlichen Zone ein Reflektor (8) angeordnet ist, der das auftreffende Licht zurück in die temperaturempfindliche Zone reflektiert, und dass die Anschlussleitung (2) mit einem Y-Koppler (9) verbunden ist, über dessen Lichtleiteranschluss (15) ein Teil des reflektierten Lichtes zu dem lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (5), vorzugsweise einer Photodiode, geleitet wird.
6. Sensorkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Y-Koppler (12) vorgesehen ist, über dessen einen Lichtleiteranschluss (13) Licht vorbestimmter Leistung in eine Kompensationsleitung (16), die mit dem Re­ flektor (8) unter Umgehung der temperaturempfindlichen Zone verbunden ist, eingespeist wird und dass ein Teil dieses am Reflektor (8) reflektierten Lichtes über einen Lichtleiteranschluss (11) des zweiten Y-Kopplers (12) von einem zweiten, lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (10), vorzugsweise einer zweiten Photodiode, erfasst wird und dass die Kompensationsleitung (16) im wesentlichen dem Streckenverlauf der Anschlussleitung (2) folgt.
7. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Faserkernmaterials (M1) zur Ausbildung der temperaturempfindlichen Zone im wesentlichen 180° beträgt.
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