DE3045085C2 - Temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einer Lichtquelle, einem Detektor, einer konzentrischen temperaturabhängigen zweir-chichtigen Lichtleitfaser und einem Sensorteil, das zwei konzentrische Schichten

— Kern und Mantel -* unterschiedlicher Lichtbrechung aufweist, deren Differenz der Brechungsindizes temperaturabhängig ist, wobei ein zweiter Detektor vorhanden ist, auf den ein Teil des Lichtes mittels Strahlteiler ausgekoppelt wird.

Die bisher entwickelten Temperatursensoren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen, und zwar in

— optische Sensoren und

— elektrische Sensoren.

Gegenüber den bekannten elektrischen Sensoren (Thermoelement, Thermistor) haben optische Sensoren den Vorteil, daß sie im Bereich elektromagnetischer Störfelder eingesetzt werden können, ohne daß dadurch eine Verfälschung des Meßergebnisses bzw. eine Beeinflussung des Feldes auftritt.

Aufgrund der Fortschritte der Lichtleittechnik besteht heute die Möglichkeit, Licht auf beliebigen Wegen in verlustarmen Fasern störsicher an eine Meßstelle zu führen. Ein optischer Temperatursensor hat dann die Aufgabe, das ankommende Licht als Funktion der Temperatur zu beeinflussen. Das veränderte Lichtsignal wird in derselben bzw. einer weiteren Lichtleitfaser auf einen lichtempfindlichen Detektor geführt.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur temperaturabhängigen Lichtbeeinflussung bekannt und es wurden auch Labormodelle folgender optischer Temperatursensoren erstellt:

— Flüssigkristall

— Doppelbrechender Kristall

— GaAs-Prisma

— Phosphor-Film.

Die aufgeführten Sensoren haben den Nachteil, daß sie nur in einem schmalen Temperaturintervall einsetzbar sind (Flüssigkristall, GaAs-Prisma) oder relativ aufwendige Meßelektronik benötigen (Doppelbrechender Kristall, Phosphor-Film).

Zum Beispiel sind aus der US-PS 41 51 747 und US-PS 42 01 446 derartige Temperatursensoren bekannt Sie sehen einen Kern und einen Mantel aus Lichtleitfasern vor, deren Materialien unterschiedliche Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes aufweisen. Diese Sensoren sind entweder wegen der zu kleinen Temperaturkoeffizienten der hierzu verwendeten anorganischen Gläser unempfindlich oder es treten wegen der verwendeten Flüssigkeiten, welche gegenüber von Feststoffen einen anderen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, bei größeren Temperaturänderungen Schlieren oder Blasen auf. Dies führt zu Verfälschungen der Meßergebnisse oder zu Spannungen, weiche den Sensor zerstören. Außerdem ist die Herstellung der mit einer Flüssigkeit gefüllten Kapillare zu kostspielig.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor für ein weites Temperaturintervall zu schaffen, der in elektromagnetisch verrauschten Umgebungen einsetzbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus dem Unteranspruch.
Die Lehre des vorgeschlagenen optischen Temperatursensors besteht darin, daß der Sensor wie eine Lichtleitfaser aufgebaut ist, die geringen Dimensionen einer Lichtleitfaser hat und daß die Meßgröße ohne Wandlung oder Verstärkung über eine Lichtleitfaser zum Meßgerät übertragen werden kann.

Der erfinungsgemäße Temperatursensor ermöglicht Temperaturmessungen in elektromagnetisch verrauschter Umgebung ohne aufwendige Abschirmungen. Es sind relative Temperaturänderungen von 10-²⁰C meßbar. Der Temperaturseneor webt nur eine geringe Dimensionauf.

In der Ausführungsform der Erfindung besteht der Mantel der Lichtleitfaser aus organischem Glas und der Kern der Lichtleitfaser aus anorganischem Glas oder umgekehrt

Das von einer Lichtquelle (LED) emittierte Licht wird mit Hilfe einer Optik auf einer Glasfaser fokussiert und ein Teil des Lichts mittels eines Strahlteilers auf einen Referenzdetektor ausgekoppelt, wobei das Licht in der temperaturunempfindlichen Faser vom Mantel oder

so Kern zum Sensor geführt wird und dort als Funktion der ■ Temperatur austritt Das im Sensor verbleibende Licht wird an einer verspiegelten Fläche des Sensors reflektiert, in der Faser rückübertragen und mittels eines Detektors nachgewiesen.

Das physikalische Prinzip des Sensors besteht darin, daß in einer Multimode-Lichtleitfaser die geführte Lichtintensität von der Differenz der Brechungsindizes von Faserkern und Fasermantel abhängt. Diese Differenz ändert sich mit der Temperatur, wenn die Temperaturgradienten der Brechungsindizes von Faserkern und Fasermantel verschieden sind. Bei einer Kombination der Faser aus organischem und anorganischem Material ist dies der Fall. Das Temperaturintervall, in dem der Sensor arbeitet, kann durch die Verwendung verschiedener organischer Gläser als Mantelmaterialien verändert werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert. Es zeigt

F ϊ g. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Temperatursensors und der dazugehörigen Einrichtungen,

Fig.2 einen Querschnitt und einen Längsschnitt durch einen Temperatursensor der erfindungsgemäßen Art,

F i g. 3 die Transmission Γ eines Sensors als Funktion der Temperatur fund

F i g. 4 die Brechzahldifferenz für verschiedene Temperaturbereiche.

In F i g. 1 wird das von einer Lichtquelle 2 emittierte Licht 4 mit Hilfe einer Optik 6 auf eine Glasfaser 8 fokussiert Ober einen Strahlteiler 10 wird ein Teil des Lichts auf einen Referenzdetektor 12 ausgekoppelt, der zur LED-Stabilisierung dient. In einer temperaturempfindlichen Faser 8 (anorganisches Glas) wird das Licht zum Sensor 14 geführt und tritt dort als Funktion der Temperatur aus. Das im Sensor 14 verbleibende Licht wird an einer verspiegelten Endfläche 16 des Sensors 14 reflektiert, mittels Faser 8 übertragen und mit einem Detektor 18 nachgewiesen.

Die Lichtintensität ist proportional zur numerischen Apertur (NA) des Sensors 14, die gegeben ist durch

ΛΜ

ηκ = Brechzahl des Kerns

n_M = Brechzahl des Mantels

t = Temperatur

Πμ) ab und ist somit durch Verwendung verschiedener organischer Gläser als Mantelmaterial (oder Kernmaterial) einstellbar.

Fig.4 zeigt schematisch die Transmission dreier Temperatursensoren mit unterschiedlicher Brechzahldifferenz. Der Arbeitsbereich jedes Sensors beginnt bei einer minimalen Temperatur ti, für die die Brechzahldifferenz

ίο n_K(ti)—n_M(ti)~0

beträgt. Für alle Temperaturen t> /,ist die Transmission T>0 und steht somit als Meßgröße zur Verfügung. Der Arbeitsbereich des Sensors endet bei einer Temperatur, bei der die Brechzahldifferenz einen Wert erreicht hat, der es ermöglicht, das gesamte einfallende Licht zu führen.

Durch Verwendung verschiedener organischer Gläser können beliebige Brechzahldifferenzen bei einer Bezugstempnratur erreicht werden.

Mögliche Mantelmaterialien (',·. Verbindung mit Quarzglas als Kernmaterial) sind organische Giäser aus der Stoffgruppe der Polyfluorkohlenwasserstoffe oder der Polyacrylsäureester.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

der temperaturabhängige Brechungsindex, wobei t\ eine beliebige Bezugstemperatur ist

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt und einen Längsschnitt durch einen Sensor 14, der aus einer Schutzhülle 20, aus einem Mantel 22 und einem Kern 24 besteht. Das zugehörige Br"chungsindexprofil -ist im unteren Teil von F i g. 2 gezeigt

Die Sensitivität des optischen Temperatursensors 14 hängt im wesentlichen vom Temperaturgradienten des Brechungsindex des organischen Glases ab, der um mindestens eine Größenordnung über dem des anorganisehen Glases liegt.

In Versuchen wurde ermittelt, daß sich bei einem Sensor der erfindungsgemäßen Art

Kern: Quarzglas,
η κ =» 1,46,

dt ·

Mantel: Polytrifluorchloräthylen,
/7m ⁼ 1.43,

4r * 1.4

Ot

(Durchmesser ca. 0,5 mm, Länge ca. 10 mm) die geführte Lichtintensität um ca. 1% pro Grad Celsius ändert. Die einzelnen Meßwer ce sind in F i g. 3 dargestellt.

Der Temperaturbereich, in dem ein Sensor benutzt werden kann, hängt von der Brechzahldifferenz (ηκ—

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Temperatursensor mit einer Lichtquelle (2), einem Detektor (18), einer konzentrischen temperaturabhängigen zweischichtigen Lichtleitfaser (8) und einem Sensorteil (14), das zwei konzentrische Schichten — Kern (24) und Mantel (22) — unterschiedlicher Lichtbrechung aufweist, deren Differenz der Brechungsindizes temperaturabhängig ist, wobei ein zweiter Detektor vorhanden ist, auf den ein Teil des Lichtes mittels Strahlteiler ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (22) des Sensorteils (14) aus organischen:· Glas und der Kern (24) aus anorganischem Glas oder umgekehrt besteht, daß das Sensorteil (14) auf der der Lichtleitfaser (8) gegenüberliegenden Seite verspiegelt ist, und daß die beiden Detektoren (12,18) die Dauer einzelner Lichtpulse messen und eine Vorrichtung zum Vergleich der beiden Pulsdauem vorhanden ist

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Detektoren (12,18) Lichtspektren messen und eine Vorrichtung zum Vergleich der beiden Spektren vorhanden ist