DE2941677A1

DE2941677A1 - Temperatur-messanordnung

Info

Publication number: DE2941677A1
Application number: DE19792941677
Authority: DE
Inventors: John J Geddes; G Benjamin Hocker
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1980-04-30
Also published as: GB2037448B; FR2439393A1; JPS5557118A; US4201446A; GB2037448A; JPS6156449B2

Description

Die vox'liegende Erfindung bezieht sich auf eine Temperatur-Meßanordnung. Hierbei ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Temperatur-Meßanordnung so auszubilden, daß sie passiv, d.h. ohne die Zufuhr elektrischer Energie an einer entfernten Meßstelle betrieben werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung und einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine optische Lichtleitfaser verwendet, die ein kurzes Zwischenstück mit einem Flüssigkeitskern aufweist. Die Flüssigkeit des Kerns weist einen von der Temperatur abhängigen Brechungsindex auf. Die Lichtleitfaser wird in herkömmlicher Weise im Mehrwellenmodus angeregt. Der Flüssigkeitskern und die diesen ummantelnde Glas-Kapillarröhre bilden eine optische Lichtleitfaser mit einer temperaturveränderlichen numerischen Apertur. Bei einer bestimmten Temperatur T1 besitzen die Flüssigkeit und das Glasrohr den gleichen Brechungsindex und die numerische Apertur wird zu Null. Bei einer anderen Temperatur T2 besitzt die Flüssigkeit einen gegenüber dem Glasrohr größeren Brechungsindex, so daß die Lichtleitfaser mit dem Flüssigkeitskern die gleiche numerische Apertur wie die herkömmliche Lichtleitfaser aufweist, über den Temperaturbereich von T1 bis zu T2 variiert die numerische Apertur der optischen Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern kontinuierlich von dem Wert Null bis zu dem Wert der numerischen Apertur der herkömmlichen Lichtleitfaser. Dieses Phänomen wird benutzt, um die Temperatur zu messen, wobei die Lichtleitfaser mit dem Flüssigkeitskern als Temperatur-Fühlelement arbeitet.

In einer zweiten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Temperatur-Meßanordnung eine optische Lichtleitfaser auf, bei der in einem Zwischenabschnitt die Umhüllung entfernt ist. Der

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nicht ummantelte Teil der Lichtleitfaser ist in eine transparente Flüssigkeit eingetaucht,die als Umhüllung dient und deren Brechungsindex mit der Temperatur variiert. Der Brechungsindex der flüssigen Umhüllung verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur von einem Wert entsprechend dein Brechungsindex des Lichtleitfaserkerns bis zu einem Wert entsprechend dem Brechungsindex der Lichtleitfaserumhüllung, wobei beide Eckpunkte beispielsweise durch die Temperaturen T1' und T2' vorgegeben sind. Typische transparente Flüssigkeiten, die für die temperaturabhängige Brechungsindexanpassung verwendet werden, besitzen eine negative Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes in der

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Größenordnung von dn/dT =-4x10 /⁰C. Dieser Abschnitt der Lichtleitfaser mit temperaturabhängiger Flüssigkeitsumhüllung bildet eine lichtleitende Faser mit einer numerischen Apertur, die sich zwischen dem Wert Null und dem maximalen Wert der herkömmlichen Umhüllung in dem Temperaturbereich zwischen T1' und T2' bewegt. Dieses Phänomen wird zur Temperaturerfassung benutzt, wobei der Lichtleitfaserabschnitt mit der Flüssigkeitsumhüllung als Temperatur-Fühlelement dient.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Temperaturfühlers ;

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Temperaturfühlers ;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines den erfindungsgemäßen Temperaturfühler verwendenden Systems;

Fig. 4 eine Einzelheit in dem System gemäß Fig. 3; und

Fig. 5 ein Diagramm des durch die Anordnung gemäß Fig. erzeugten Signales.

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Gemäß Fig. 1 ist ein temperaturempfindliches Element 10 dargestellt, das einen Abschnitt aus einer transparenten Glas-Kapillarröhre 11 mit einem Brechungsindex η aufweist, wobei dieser Abschnitt einen Flüssigkeitskern 12 mit einem teinperaturveränderlichen Brechungsindex η aufweist. Dieses Element 10 ist in Reihe zu einer herkömmlichen Eingangs-Lichtleitfaser 13 und einer herkömmlichen Ausgangs-Lichtleitfaser 14 geschaltet, die einen Kern-Brechungsindex n.. und einen Umhüllungs-Brechungsindex n₂ aufweisen. Bei den Lichtleitfasern 13 und 14 handelt es sich um solche, die für einen Mehrwellenbetrieb ausgebildet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit Flüssigkeitsumhüllung gemäß Fig. 2 gelangen die gleichen Eingangs- und Ausgangs-Lichtleitiäsern zur Anwendung und sind daher mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Das temperaturempfindliche Element 10' besteht aus einem nicht umhüllten Lichtleitfaserkern 12' mit dem Brechungsindex η , der in eine transparente Flüssigkeitsumhüllung 11' eingetraucht ist, die einen temperaturabhängigen Brechungsindex n' aufweist.

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Die Flüssigkeitsumhüllung 11' wird durch eine geeignete Hülse 15 und Abdichtungen 16 eingegrenzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kern durchgehend durch den Kern der Lichtleitfasern 13 und 14 gebildet werden, wodurch eine automatische Ausrichtung der Kernabschnitte erfolgt. Die Brechungsindizes n₁ und η weisen in diesem Fall selbstverständlich die gleichen Werte auf.

Ein Blockdiagramm eines Systems für die optische Temperaturerfassung an einer entfernten Stelle ist in Fig. 3 dargestellt, wobei eine Lichtquelle 20 beispielsweise in Form einer lichtemittierenden Diode das Licht über einen herkömmlichen Strahlteiler 21 und eine geeignete Linse 22 auf das Eintrittsende einer optischen Lichtleitfaser 13 wirft. Das Licht wird über die Linse 22 auf die Lichtleitfaser 13 so geworfen, daß die volle numerische Apertur der Eingangs-Lichtleitfaser angeregt wird. Am anderen Ende der Eingangs-Lichtleitfaser 13 überträgt der angeschlossene Temperctur-

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Erfassungsnbsclmitt 10 bzw 10' einen Teil des Lichtes in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit und der sich hierbei ändernden numerischen Apertur. Der übertragene Teil des Lichtes, der einen Hinweis auf die vorliegende Temperatur liefert, wird über die Ausgangs-Lichtleitfaser 14 einem Lichtdetektor 23 zugeführt, der ein elektrisches Signal an einen Eingang einer Signalverarbeitungseinrichtung 24 liefert. Ein Teil des Lichtes der Lichtquelle 20, das durch den Strahlteiler 21 abgespalten wird, wird von einem Lichtdetektor 25 erfaßt, der von der gleichen Art wie der Detektor 23 sein kann,und das elektrische Signal des Detektors 25 wird einem weiteren Eingang der SignalVerarbeitungseinrichtung 2 4 zugeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der über den Temperatur-Fühlerabschnitt 10 übertragene Anteil des Lichtes ein Maß für die Temperatur/ und die Signalverarbeitungseinrichtung 24 ist so ausgelegt, daß sie diesen Anteil berechnet. Um eine Unabhängigkeit von der Intensität der Lichtquelle 20 zu erzielen, benutzt die Signalverarbeitungseinrichtung 24 außer dem Eingangssignal von dem Detektor 23 auch ein Eingangssignal von dem Detektor 25 und erzeugt ein der Temperatur proportionales Ausgangssignal F(T).

Die numerische Apertur NA der herkömmlichen Lichtleitfaser ist n..** - n- · Dieser Ausdruck läßt

sich annähernd wie folgt darstellen: NA_f ^ γ2η..Δη, wobei Än^n.rn, ist und die Annahme Δ η<$. η. gilt. In gleicher Weise läßt sich

die numerische Apertur der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern

I 2 2~
folgendermaßen angeben: NA_T:ryn_T ~ ⁿ^ · ^Di^e numerische Apertur des

Jj ( Jj ο

Abschnittes mit Flüssigkeitsumhüllung ergibt sich zu:

NA' =Vn - n' . Die numerische Apertur NA, für den Abschnitt L ' C L Jj

mit Flüssigkeitskern und NA' für den Abschnitt mit Flüssigkeits-

Jj

umhüllung können voneinander verschieden sein; in der nachfolgenden Erläuterung gelten jedoch die angegebenen Beziehungen für beide Ausführungsbeispiele und es sei daher nur der Ausdruck NA.. benutzt. Bei jeder Lichtleitfaser steht die numerische Apertur NA in einer Beziehung zu dem größtmöglichen Winkel ν , den die steilsten

max

meridionalen Lichtstrahlen innerhalb der Lichtleitfaser in Bezug auf die Lichtleitfaserachse aufweisen können. Dieser Winkel läßt

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pich wie folgt berechnen: sin Θ - NA/n ^ , wobei n.. den Brechungsindex des Lichtleitfaserkernes beziffert.

Es sei angenommen, daß die herkömmliche Lichtleitfaser 13 an ihrem Eingang durch eine Lichtquelle über ihre volle numerische Apertur angeregt wird, d.h. daß der volle Bereich, der durch sie übertragbaren Lichtstrahlen erfaßt wird. Bei NA_T £·- NA^ wird dieser volle Winkelbereich durch die Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern oder Flüssigkeitsumhüllung zu der Ausgangs-Lichtleitfaser und zu einer Detektoreinrichtung übertragen. Bei 0 < NA₁. < NA^ werden die unter einem steileren Winkel verlaufenden Lichtstrahlen in der herkömmlichen Lichtleitfaser nicht in die Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern oder Flüssigkeitsumhüllung übertragen und gelangen somit auch nicht zu der herkömmlichen Ausgangs-Lichtleitfaser, während die unter flacherem Winkel verlaufenden Lichtstrahlen von dem Abschnitt mit Flüssigkeitskern oder Flussigkeitsnmhullung zu der Ausgangs-Lichtleitfaser übertragen werden. Ist die Beziehung η < n_c erfüllt, so wird überhaupt kein Licht durch den Abschnitt mit Flüssigkeitskern übertragen. Das gleiche gilt für einen Abschnitt mit Flüssigkeitsumhüllung, wenn die Beziehen n' ^. η erfüllt ist.

Werden Schritte unternommen, um sicherzustellen, daß Licht, welches von dem Abschnitt mit Flüssigkeitskern bzw. Flüssigkeitsumhüllung nicht übertragen wird, nicht zu der herkömmlichen Ausgangs-Lichtleitfaser gelangt, so kann NA_T durch Beobachtung des durch die Ausgangs-Lichtleitfaser übertragenen Lichtes ermittelt werden. Erfolgt die Beobacthung bei einem Medium mit einem Brechungsindex n_Q, so erfolgt die Beschränkung des Ausgangslichtes auf einen Winkelbereich/der gleich oder kleiner als (9_Q=arcsin (NA /n_Q) ist, wobei dies gilt für 0 < NA -$NA_f. Durch Beobachtung von 0 kann somit NA ermittelt werden. Wenn η , η und die Temperaturabhängigkeit von η ebenfalls bekannt sind, so kann die Temperatur der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern ebenfalls ermittelt werden.

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Schritte,um sicherzustellen, daß das von der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern nicht geführte Licht nicht zu der Ausgangs--Lichtleitfaser 14 gelangt, umfassen folgende Möglichkeiten: a) Abbiegen der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern; b) Mattieren der Außenseite der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern; c) Beschichtung der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern mit einem lichtabsorbierenden Material; und d) Eintauchen der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern in eine transparente Flüssigkeit mit höherein Brechungsindex.

In Fig. 1 sind das Element 10 und die Lichtleitfasern 13 und 14 aus Gründen der vereinfachten Darstellung als getrennte Elemente dargestellt. Bei der Verbindung der Elemente im Hinblick auf eine maximale Ubertragungsleistung sollten jedoch der Kerndurchmesser der herkömmlichen Lichtleitfasern und der Lichtleiterfasern mit Flüssigkeitskern den gleichen Wert aufweisen, und sie sollten sorgfältig aufeinander ausgerichtet werden, wobei keine Lücken zwischen den Abschnitten bestehen sollen. Da jedoch der temperaturabhängige Effekt durch die Veränderung der numerischen Apertur NA in Abhängigkeit von der Temperatur gegeben ist und diese unabhängig von dem Lichtleitfaserdurchmesser ist, ist der Durchmesser der Lichtleitfaser mit Flüssigkeitskern unkritisch. Seine Länge muß nur ausreichend sein, um die nicht übertragenen Eingangsstrahlen zu eliminieren, was beispielsweise durch einige Zentimeter geschehen kann.

Wa gibt eine große Anzahl von Flüssigkeiten, die im Falle der Erfindung Anwendung finden können. Beispielsweise sind Flüssigkeiten mit einem Brechungsindex in dem nutzbaren Bereich von 1,5< n_T<1,6 handelsüblich erhältlich und auf jeden Fall kann jeder Brechungsindex in diesem Bereich durch das Mischen von Flüssigkeiten erhalten werden. Die typische Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes beträgt dn/dT Q^ -4 x10 /⁰C. Der gewünschte Temperatur-Betriebsbereich bedingt die Auswahl der für eine vorgegebene Bedingung am besten geeigneten Flüssigkeit.

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Eine große Vielfalt von Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex wird beispielsweise von der Firma R.P. Cargille Laboratories, Inc., Cedar Grove, New Jersey vertrieben. Flüssigkeiten mit einem Brechungsindex von 1,3 bis 2,1 sind erhältlich. Die Handbücher der Chemie und Physik enthalten entsprechende Tabellen für die Brechungsindezes von Flüssigkeiten. Die Temperatur kann aus dem übertragenen Licht auf zwei Arten festgestellt werden. 1) Durch Erfassung der übertragenen Lichtintensität und 2) durch Erfassung der übertragenen numerischen Apertur NA. Wenn alle Schwingungsmodi einer Mehrwellenmodus-Lichtleitfaser in gleicher Weise erregt werden, so wächst die übertragene Leistung mit dem Quadrat der numerischen Apertur NA an. Dieser Effekt ist verwendbar, um die durch den otpischen Lichtleitfaser-Temperaturfühler übertragene Lichtintensität in Beziehung zu der numerischen Apertur NA der Lichtleitfaser mit Flüssigkeit skern bzw. mit Flüssigkeitsumhüllung und somit zu deren Temperatur zu setzen.

Die übertragene numerische Apertur NA kann ebenfalls gemessen werden, indem man dem Licht am Ausgangsende der Ausgang-Lichtleitfaser den Austritt gestattet und den Durchmesser des Lichtkegels in einer vorgegebenen axialen Position mißt.Der Lichtkegeldurchmesser kann durch eine Abtastblende gemessen werden, wobei die Blendengröße und die Abtastgeschwindigkeit bekannt sind. Die Messung des Lichtkegeldurchmessers wird sodann zu einer Messung der zeitlichen Länge, die die Abtastung des Lichtes durch die Blende erfordert. Die Blende kann hierbei selbst eine mechanische Abtastbewegung ausführen oder der Lichtstrahl kann durch Verwendung eines rotierenden Spiegels 26 abgetastet werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Gemäß dieser Figur ist der rotierende Spiegel 26 nur auf einer Seite beschichtet und liefert ein Ausgangssignal durch den Lichtdetektor 23', das einen Verlauf über der Zeit gemäß Fig. 5 aufweist. In Fig. 4 erfährt der Winkel φ eine Veränderung in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei folgende Beziehung vorliegt:

NA = sin φ = sin 2U^ % 2%V

T T

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In dieser Beziehung stell T die Rotationszeit des Spiegels 26 und T die Zeit dar, in der Licht auf den Detektor 23' auftrifft. Der auf einer Seite beschichtete Spiegel dient der vereinfachten Darstellung, wobei jedoch die Verwendung eines doppelt beschichteten oder eines mehrfach beschichteten rotierenden Spiegels oder Prismas ebenfalls nicht ausgeschlossen ist. Wenn ein Detektor gemäß Fig. 4 zur Anwendung gelangt, so vereinfacht sich das System gemäß Fig. 3^ und der Detektor 25 sowie der Strahlteiler 21 können entfernt werden.

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Leerseite

Claims

lIONEYViELL INC. -j V (Wi «·/(

Honeywell Plaza 10074C2 GE*

Minncapc] is , Minn . , USA

Temperatur-Meßanordnung

Patentansprüche:

f 1 .J Temperatur-Meßanordnung, gekennzeichnet durch eine im Mehrwellenmodus angeregte optische Lichtleitfaser (13,Ί4) mit einem Zwischenstück (10,10') an der Temperatur-Meßstelle, welches einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweist.
2. Temperatur-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Lichtleitfaser (13,14) als auch das Zwischenstück (10,10') einen Kern und eine Umhüllung aufweisen, wobei entweder der Kern (12,12') oder die Umhüllung (11,11') des Zwischenstücks (10,10') aus einer Flüssigkeit mit temperaturabhängigem Brechungsindex (η., n¹ ) besteht.
3. Temperatur-Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in Bezug auf die Eintrittsstelle in die Lichtleitfaser (13) derart angeordnete Lichtquelle (20), daß die Lichtleitfaser über ihre volle numerische Apertur angeregt wird und durch einen Lichtdetektor (23) am Ausgang der Lichtleitfaser (13) zur Erzeugung eines elektrischen Signales auf Grund des übertragenen Lichtes.

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4. Temperatur-Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Lichtleitfaser (13,14) auch das Zwischenstück (10') durchsetzt und daß auf die Umhüllung der Lichtleitfaser (13,14) mit Dichtrinyen (16) eine die Flüssigkeit (11') enthaltende Hülse (15) aufgesetzt ist.
5. Temperatur-Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle: (20) und Eingang der Lichtleitfaser (13) ein Strahlteiler (21) angeordnet ist, daß der abgezweigte Lichtstrahl auf einen !lichtdetektor (25) geworfen wird, und daß die Signeilc der Detektoren (23,25) einer das temperaturabhängige Signal erzeugenden Signalverarbeitungseinbeit (24) zugeführt werden.

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