DE20022136U1 - Vorrichtung zur Wellenlängendetektion - Google Patents
Vorrichtung zur WellenlängendetektionInfo
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Description
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Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Detektion von Lichtwellen für die Signalauswertung von Sensorsystemen, insbesondere von faseroptischen On-Line-Temperatur Sensorsystemen zum Monitoring von energietechnischen Anlagen und Geräten.
Die Online-Überwachung von energietechnischen Anlagen und Betriebsmitteln gewinnt in der elektrischen Energietechnik aufgrund der Sicherheit und einer angestrebten wirtschaftlichen Betriebsführung, z. B. hinsichtlich der Lebensdauer, immer mehr an Bedeutung. Eine besonders wichtige Rolle innerhalb der zu erfassenden und zu überwachenden Meßgrößen spielt hierbei die Temperatur an kritischen Stellen oder gefahrgeneigten Teilen oder Bereichen der jeweiligen Anlage oder des jeweiligen Gerätes. Für diese Anwendungsfälle, bei denen eine potentialfreie Temperaturmessung erforderlich ist, etabliert sich zunehmend die faseroptische Meßtechnik.
Zur Messung von Temperaturen sind faseroptische Temperatursensorsysteme bekannt, die nach verschiedenen Prinzipien arbeiten. Hierzu zählen Lumineszens-Temperatursensoren, thermochrome Temperatursensoren, interferometrische Sensoren und polarimetrische Sensoren.
Eine weitere Möglichkeit zur Temperaturdetektion besteht in der Verwendung von Fasergitter-Sensorsystemen. Dabei werden zur Sensibilisierung von Standard-Quarzglasfasern für die Temperaturmessung mikrostrukturierte Brechzahlgitter in den Kern des Lichtwellenleiters an definierten Stellen entlang der Glasfaser eingeschrieben. Diese monolithisch in die Faser eingebrachten Gitter, sogenannte Faser-Bragg-Gitter, sind in der Lage, bestimmte Wellenlängen des Lichtes zu reflektieren. Die Bragg-Reflexionswellenlänge ist dabei u. a. von der Fasertemperatur abhängig.
Die lineare Abhängigkeit der Reflexionswellenlänge von der Fasertemperatur kann durch Detektion der jeweils vorherrschenden Wellenlänge bei Temperaturvariation mit Hilfe eines kommerziellen optischen Spektrumanalysators, beispielsweise der Typen HP 71450B, 7125B, 71452B und 86140A des Herstellers Hewlett Packard oder eines Gerätes der „WA" des Herstellers „Burleigh" meßtechnisch erfaßt werden. Nachteilig für den Einsatz im Bereich der faseroptischen Temperaturmessung sind die mit dieser Wellenlängendetektionsmethode und den entsprechenden Geräten verbundenen hohen Investitionskosten für die Meßgeräte und die damit im engen Zusammenhang stehende überdimensionierte Ausstattung der Geräte, die für die hier beschriebene Wellenlängendetektion nicht erforderlich wäre.
Aufgabe der Neuerung ist es, eine Vorrichtung zur Wellenlängendetektion für die Anbindung an wellenlängenselektive faseroptische Temperatursensoren anzugeben, die einfach aufgebaut ist, dennoch eine genaue Messung der Wellenlängenänderung bei Temperaturvariation zuläßt. Die neuerungsgemäße Vorrichtung soll eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Wellenlängendetektoren darstellen, wobei lediglich auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden muß.
Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Schutzanspruch.
Der allgemeine erfinderische Gedanke besteht darin, die temperaturabhängige Reflexionswellenlängendrift von faseroptischen Sensorsystemen, in denen Faser-Bragg-Gitter als Sensorelemente eingesetzt werden, mit Hilfe eines neuartigen Wellenlängendetektionsverfahrens meßtechnisch zu erfassen. Hierbei wird die spektrale Empfindlichkeit von handelsüblichen, in ihrem Aufbau und verwendeten Material verschiedenen Photodioden ausgenutzt. Die Meßgröße „Wellenlänge" wird dann gezielt für eine potentialfreie quasiverteilte Temperaturüberwachung - etwa in energietechnischen Anlagen, Geräten und Betriebsmitteln, beispielsweise Leistungstransformatoren und/oder Stufenschaltern an solchen Leistungstransformatoren - verwendet.
Die Neuerung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden:
Es zeigen:
eine neuerungsgemäße Vorrichtung zur Wellenlängendetektion
eine relative spektrale Empfindlichkeit einer Standard Silizium-Photodiode
einen schematischen Ablauf des der neuerungsgemäßen Vorrichtung zugrundeliegenden Verfahrens
die jeweilige Größe der Wellenlänge, abhängig von der jeweiligen Temperatur.
In Figur 1 ist eine neuerungsgemäße Vorrichtung zur Wellenlängendetektion nach dem Schutzanspruch dargestellt. Dabei ist ein Strahlteiler vorgesehen, der eine Aufspaltung des einfallenden Lichtstrahles in zwei Teilstrahlen vornimmt. Jeder der beiden Teilstrahlen wirkt separat auf jeweils eine Photodiode. Bei der Temperaturmessung mittels Bragg-Gittern ist die Amplitude der zurückgestreuten optischen Leistung nicht exakt bekannt, da sie zum einen vom Ausgangsspektrum der Lichtquelle bei dieser Wellenlänge abhängt und zum anderen von der Reflektivität des Gitters. Zur Bestimmung der Wellenlänge hierbei sind die beiden Photodioden vorgesehen, die mit Hilfe eines optischen Filters ein gegenläufiges Verhalten im Wellenlängenbereich der jeweiligen Bragg-Gitter zeigen. Da alle Dioden üblicherweise eine ansteigende Flanke aufweisen oder gerade ein Maximumplateau haben, wird dazu einer der Photodioden ein Bandpaßfilter BP optisch vorgeschaltet. Beide Photodioden ihrerseits stehen jeweils mit einem Transimpedanzverstärker TIV elektrisch in Verbindung. Die Ausgänge beider Transimpedanzverstärker TIV führen zu bekannten elektrischen Mitteln zur Verhältnisbildung. Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wellenlängeninformation über die resultierenden Kennlinien der beiden Photodioden in charakteristische Photoströme transformiert; diese werden in jedem Zweig über den jeweiligen Transimpedanzverstärker TIV in elektrische Spannungen U1 bzw. U2 umgewandelt. Aus dem Verhältnis beider Spannungen U1 bzw. U2, das anschließend ermittelt wird, ergibt sich dann die gesuchte Wellenlänge &lgr;.
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Figur 2 zeigt eine relative spektrale Empfindlichkeit einer Standard Silizium-Photodiode. Die sehr steile Charakteristik in bestimmten Wellenlängenbereichen kann auf besonders vorteilhafte Weise zur Detektion der Wellenlänge ausgenutzt werden.
Aus dem in Figur 3 schematisch dargestellten Ablauf des Verfahrens zur wellenlängenselektiven Detektion von unterschiedlichen Wellenlängen zur Temperaturmessung ist zu entnehmen, daß zunächst durch eine Temperaturänderung &Dgr;&Tgr; eine Änderung der Reflexionswellenlänge XBG des Faser-Bragg-Gitters, welches das Sensorelement des Temperatur-Sensorsystems darstellt, hervorgerufen wird. Das Licht mit einer durch die Reflexionswellenlänge Xbg des Bragg-Gitters vorgegebenen Wellenlänge &lgr; wird mit Hilfe eines optischen Strahlteilers in zwei gleiche Signale aufgespaltet, die getrennt auf zweierlei Weise weiterverarbeitet werden. Zum einen findet unter Verwendung einer charakteristischen ansteigenden, von der spektralen Empfindlichkeit einer ersten Photodiode abhängigen, Wellenlängenkennlinie eine Transformation des ersten Teilsignals und damit der Wellenlängeninformation in einen ersten elektrischen Strom statt, zum anderen wird eine resultierende charakteristische abfallende Wellenlängenkennlinie, hervorgerufen durch die Verwendung eines vorgeschalteten optischen Filters und einer zweiten Photodiode, zur Transformation des zweiten Teilsignals und damit wiederum der Wellenlängeninformation in einen zweiten elektrischen Strom genutzt. Durch eine Verhältnisbildung der beiden elektrischen Signale, d. h. von erstem und zweitem elektrischen Strom bzw. in den äquivalenten Spannungswerten, wird die Wellenlänge bestimmt, die ein Maß für die Temperatur darstellt.
Die in Figur 4 dargestellte Grafik zeigt das Verhältnis der beiden elektrischen Spannungen U1ZU2, aufgetragen über der sich daraus ergebenden Wellenlänge &lgr;. Hieraus kann mit Hilfe einer Kalibriermessung die Temperatur T bestimmt werden.
Claims (1)
- Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Detektion von Lichtwellen für die Signalauswertung von faseroptischen Sensorsystemen, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strahlteiler vorgesehen ist, der einen einfallenden, zu detektierenden Lichtstrom in zwei Teilströme aufteilt,
daß der erste Teilstrom des Lichtstroms direkt auf eine erste Photodiode wirkt,
daß der zweite Teilstrom des Lichtstroms über ein vorgeschaltetes Bandpaßfilter (BP) auf eine zweite Photodiode wirkt,
daß die elektrischen Ausgänge beider Photodioden jeweils getrennt mit dem Eingang jeweils eines Transimpedanzverstärkers (TIV) in Verbindung stehen
und daß die Ausgänge beider Transimpedanzverstärker (TIV) mit gemeinsamen Mitteln zur Verhältnisbildung verbunden sind, derart, daß ein Verhältnis aus den an den Ausgängen der Transimpedanzverstärker (TIV) anstehenden Spannungen (U1 bzw. U2) gebildet und daraus die Wellenlänge (λ) ermittelt wird.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| DE20022136U DE20022136U1 (de) | 2000-03-09 | 2000-03-09 | Vorrichtung zur Wellenlängendetektion |
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Publications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20022136U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7615730B2 (en) | 2007-11-30 | 2009-11-10 | Intel Corporation | Device and method for measuring wavelength of an optical signal |
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2000
- 2000-03-09 DE DE20022136U patent/DE20022136U1/de not_active Expired - Lifetime
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