DE3236960A1

DE3236960A1 - Liquid thermometer

Info

Publication number: DE3236960A1
Application number: DE19823236960
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl.-Phys. 7804 Glottertal Boehnel; Ralf Thomas Prof. Dipl.-Phys. Dr. 1000 Berlin Kersten
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1982-10-06
Publication date: 1984-04-12
Also published as: DE3236960C2

Abstract

In a liquid thermometer, the capillary (1) is provided in an optical waveguide (5) designed as a hollow fibre, where the length of the liquid thread (4) determines how much light is coupled out of the optical waveguide (5) before the light is reflected on the front face (9) and fed to a photoreceiver (15) for intensity measurement and therefore temperature measurement. <IMAGE>

Description

Flüssigkeitsthermometer Liquid thermometer

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitsthermometer mit einer Kapillare, die an einem Ende in eine mit der Thermometerflüssigkeit gefüllte kolbenförmige Erweiterung einmündet.The invention relates to a liquid thermometer with a capillary, at one end into a bulb-shaped one filled with the thermometer liquid Extension leads.

Derartige Flüssigkeitsthermometer werden zur Temperaturmessung in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Die Temperaturablesung erfolgt dabei üblicherweise visuell direkt an einer der Kapillare des Thermometers zugeordneten Skala. Zur Fernablesung ist es nötig, eine Fernsehkamera oder sonstige aufwendige Vorrichtungen vorzusehen.Such liquid thermometers are used for temperature measurement in used in numerous areas. The temperature reading is usually carried out visually directly on a scale assigned to the capillary of the thermometer. For remote reading it is necessary to provide a television camera or other expensive devices.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkeitsthermometer mit einer Fernablesung zu schaffen.On the basis of this prior art, the object of the invention is to be found based on creating a liquid thermometer with a remote reading.

Die erste Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Kapillare in einem als Hohlfaser ausgebildeten Lichtwellenleiter mit einer zur kolbenförmigen Erweiterung weisenden reflektierenden Stirnfläche vorgesehen ist, der über einen Faserkoppler mit einer Lichtquelle zum Einkoppeln von Licht und mit einem Lichtempfänger zum Erfassen des reflektierten Lichtes gekoppelt ist.The first solution according to the invention is that the capillary in an optical waveguide designed as a hollow fiber with a bulb-shaped one Extension pointing reflective face is provided, which has a Fiber coupler with a light source for coupling light and with a light receiver is coupled to detect the reflected light.

Bei einer weiteren Lösung ist vorgesehen, daß die Kapillare an dem der kolbenförmigen Erweiterung gegenüberliegenden Ende mit einem Lichtwellenleiter verbunden ist, der über einen Faserkoppler mit einer Lichtquelle zum Einkoppeln von Licht in den Hohlraum der Kapillare und mit einem Lichtempfänger zum Erfassen des von der Thermometerflüssigkeit reflektierten Lichtes gekoppelt ist.In a further solution it is provided that the capillary on the the end opposite the bulb-shaped extension with an optical waveguide is connected, which via a fiber coupler with a light source for coupling of light into the cavity of the capillary and with a light receiver for detection of the light reflected by the thermometer fluid is coupled.

Dadurch, daß das Flüssigkeitsthermometer über einen Lichtwellenleiter mit einer Lichtquelle konstanter Intensität in beliebiger Entfernung verbunden ist und die-von der Temperatur abhängige Intensität des reflektierten Lichtes mit Hilfe eines Lichtempfängers detektiert und elektronisch ausgewertet wird, ergibt sich eine zuverlässige, einfach aufgebaute Vorrichtung zur Fernablesung.In that the liquid thermometer has a fiber optic cable connected to a light source of constant intensity at any distance and the temperature-dependent intensity of the reflected light with the aid a light receiver is detected and electronically evaluated, results a reliable, simply constructed device for remote reading.

Bei einem als Hohlfaser ausgebildeten Lichtwellenleiter wird bei steigender Temperatur durch den längeren Flüssigkeitsfaden mehr Licht ausgekoppelt, so daß der Lichtempfänger mit steigender Temperatur eine der Temperatur zugeordnete geringere Lichtintensität anzeigt.In the case of an optical waveguide designed as a hollow fiber, with increasing Temperature coupled out more light through the longer liquid thread, so that the light receiver has a lower temperature associated with the temperature as the temperature rises Light intensity.

Bei der zweiten Lösung reflektiert die Oberfläche am Ende des Flüssigkeitsfadens Licht, wobei die Intensität des Lichtes von dem Weg abhängt, den das Licht durch mehrfache Fresnel-Reflektionen in der Kapillare zurückgelegt hat. Mit steigender Temperatur wird daher die vom Lichtempfänger detektierte Intensität größer.In the second solution, the surface reflects at the end of the liquid thread Light, where the intensity of the light depends on the path the light takes has covered multiple Fresnel reflections in the capillary. With increasing Temperature, therefore, the intensity detected by the light receiver increases.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Appropriate refinements and developments of the invention are Subject of subclaims.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Flüssigkeitsthermometer gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 eine Lichtwellenleiter-Anordnung zum Einkoppeln und Auskoppeln von Licht und Fig. 3 ein Flüssigkeitsthermometer gemäß einer zweiten Ausführungsform.In the drawing are exemplary embodiments of the subject matter of the invention shown. 1 shows a liquid thermometer according to the invention in FIG a first embodiment, FIG. 2 shows an optical waveguide arrangement for coupling and decoupling of light and 3 shows a liquid thermometer according to a second embodiment.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen faseroptischen Flüssigkeitsthermometers verfügt über eine Kapillare 1, die am in der Zeichnung unten dargestellten Ende in eine kolbenförmige Erweiterung 2 übergeht, in der das Meßvolumen der Thermometerflüssigkeit 3 aufgenommen ist. Je nach der Temperatur steigt der in der Kapillare 1 gebildete Flüssigkeitsfaden 4 infolge einer Volumenänderung der Thermometerflüssigkeit 3 mehr -oder weniger weit in der Kapillare 1 nach oben.The embodiment shown in Fig. 1 of the invention fiber optic liquid thermometer has a capillary 1 which is attached to the in the end shown in the drawing below merges into a piston-shaped extension 2, in which the measuring volume of the thermometer liquid 3 is added. Depending on the The temperature of the liquid thread 4 formed in the capillary 1 rises as a result of a Change in volume of the thermometer fluid 3 more or less far in the capillary 1 up.

Die Kapillare 1 erstreckt sich durch einen als Hohlfaser ausgebildeten Lichtwellenleiter 5. Der Kern 6 des Lichtwellenleiters 5 bildet dabei die unmittelbare Wandung der Kapillare 1.The capillary 1 extends through a hollow fiber Optical waveguide 5. The core 6 of the optical waveguide 5 forms the immediate Wall of the capillary 1.

Der Kern 6 des Lichtwellenleiters 5 ist von einem Mantel 7 umgeben, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 6 aufweist. Der Mantel 7 ist mit dem die Thermometerflüssigkeit 3 aufnehmenden Kolben 8 einstückig ausgebildet. Das zum Kolben 8 weisende Ende des Kerns 6 des Lichtwellenleiters 5 verfügt über eine rechtwinklig zur Kapillare 1 verlaufende Stirnfläche 9.The core 6 of the optical waveguide 5 is surrounded by a jacket 7, which has a lower refractive index than the core 6. The coat 7 is with the piston 8 receiving the thermometer fluid 3 is formed in one piece. That to the piston 8 facing end of the core 6 of the optical waveguide 5 has a End face 9 running at right angles to capillary 1.

Die Lage der StirnfläcKle 9 ist so gewählt, daß die Stirnfläche 9 bei der tiefsten zu messenden Temperatur zwischen dem Ende 10 des Flüssigkeitsfadens 4 und der Einmündung der kolbenförmigen Erweiterung 2 in die Kapillare 1 liegt.The position of the end face 9 is chosen so that the end face 9 at the lowest temperature to be measured between the end 10 of the liquid thread 4 and the confluence of the piston-shaped extension 2 in the capillary 1 is located.

Der als Hohlfaser mit der evakuierten Kapillare 1 ausgebildete Lichtwellenleiter 5 ist über eine Anschlußstelle 11 und einen weiteren Lichtwellenleiter 12 optisch mit einer Lichtquelle 13 verbunden. Über einen zwischengeschalteten Faserkoppler 14 wird in den Lichtwellenleiter 12 zurückreflektiertes Licht zu einem Lichtempfänger 15 ausgekoppelt.The optical waveguide designed as a hollow fiber with the evacuated capillary 1 5 is optical via a connection point 11 and a further optical waveguide 12 connected to a light source 13. Via an interposed fiber coupler 14, light reflected back into the optical waveguide 12 becomes a light receiver 15 decoupled.

Das über die Anschlußstelle 11 eingespeiste Licht pflanzt sich über den Kern 6 des als Hohlfaser ausgebildeten Lichtwellenleiters 5 in Richtung auf die-Stirnfläche 9 fort. Dabei wird ein Teil des Lichtes durch den Flüssigkeitsfaden 4 der Thermometerflüssigkeit -3 ausgekoppelt, weil der Brechungsindex der Thermometerflüssigkeit 3 etwa gleich oder vorzugsweise größer als der Brechungsindex des Kerns 6 ist. Die ausgekoppelte Lichtmenge hängt dabei von der Länge des Flüssigkeitsfadens 4 ab, so daß die Intensität des an der Stirnfläche 9 reflektierten und über den Lichtwellenleiter 12 sowie den Faserkoppler 14 dem Lichtempfänger 15 zugeführten Lichtes ein Maß für die Länge des Flüssigkeitsfadens und damit für die Temperatur ist. Da mit steigender Temperatur mehr Licht durch den Flüssigkeitsfaden 4 ausgekoppelt wird, sinkt die Intensität des vom Lichtempfänger 15 detektierten Lichtes mit steigender Temperatur.The light fed in via the connection point 11 is overplanted the core 6 of the hollow fiber optical waveguide 5 in the direction of the end face 9 continues. Part of the light is transmitted through the liquid thread 4 of the thermometer liquid -3 decoupled because the refractive index of the thermometer liquid 3 is approximately equal to or preferably greater than the refractive index of the core 6. the The amount of light coupled out depends on the length of the liquid thread 4, so that the intensity of the reflected on the end face 9 and through the optical waveguide 12 and the fiber coupler 14 the light receiver 15 supplied light a measure for is the length of the liquid thread and thus for the temperature. As with increasing If more light is coupled out through the liquid thread 4, the temperature drops Intensity of the light detected by the light receiver 15 with increasing temperature.

Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der Fortpflanzung des über die Anschlußstelle 11 eingespeisten Lichtes Totalreflektionen von Bedeutung sind, wird das Licht bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Inneren der Kapillare 1 durch Fresnel-Reflektionen transportiert.While in the embodiment of the invention shown in Fig. 1 total reflections during the propagation of the light fed in via the connection point 11 are of importance, the light is in the embodiment shown in FIG the invention transported inside the capillary 1 by Fresnel reflections.

Das in Fig. 3 dargestellte Flüssigkeitsthermometer 16 ist in üblicher Weise einstückig hergestellt, wobei der Kolben 8 und der gesamte Hals 17 aus dem gleichen Glas bestehen.The liquid thermometer 16 shown in Fig. 3 is conventional Way made in one piece, the piston 8 and the entire neck 17 from the consist of the same glass.

Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten faseroptischen Flüssigkeitsthermometer, bildet die Thermometerflüssigkeit 3 in der Kapillare 1 einen Flüssigkeitsfaden 4, dessen Länge mit steigender Temperatur zunimmt. Die Kapillare 1 erstreckt sich bis zur Anschlußstelle 11, an der im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig.As with the fiber optic liquid thermometer shown in Fig. 1, the thermometer liquid 3 in the capillary 1 forms a liquid thread 4, whose length increases with increasing temperature. The capillary 1 extends up to to the connection point 11, at which, in contrast to the embodiment according to FIG.

1' Licht in das Innere der evakuierten Kapillare 1 statt in die Glaswandung eiilgespeist wird. Durch Reflektionen an der Wand 18 der Kapillare 1 pflanzt sich das Licht mit Verlusten in Richtung auf das Ende 10 des Flüssigkeitsfadens 4 fort. Je tiefer das Ende 10 des Flüssigkeitsfadens 4 in Fig. 3 liegt, um so länger ist der mit Intensitätsverlusten verbundene Lichtweg von der Anschlußstelle 11 zum Flüssigkeitsfaden 4. Daher ist die Intensität des von der Oberfläche des Flüssigkeitsfadens an ihrem Ende 10 reflektierten Lichtes ein Maß für die Temperatur. Das reflektierte Licht gelangt über die Anschlußstelle 11, den Lichtwellenleiter 12 und den Faserkoppler 14 zum Lichtempfänger 15. Je höher die vom Flüssigkeitsthermometer 16 gemessene Temperatur ist, um so kürzer ist der in der Kapillare 1 vom Licht zurückgelegte und mit Verlusten verbundene Weg und um so größer ist die vom Lichtempfänger 15 detektierte Lichtintensität.1 'light into the interior of the evacuated capillary 1 instead of into the glass wall is expressly fed. Due to reflections on the wall 18 of the capillary 1 plants the light continues with losses in the direction of the end 10 of the liquid thread 4. The deeper the end 10 of the liquid thread 4 lies in FIG. 3, the longer it is the light path associated with intensity losses from the connection point 11 to the liquid thread 4. Hence the intensity of the surface of the thread of liquid at its The end of 10 reflected light is a measure of the temperature. The reflected light reaches via the connection point 11, the optical waveguide 12 and the fiber coupler 14 to the light receiver 15. The higher the measured by the liquid thermometer 16 The temperature is, the shorter is that covered in the capillary 1 by the light and the path associated with losses, and the greater is that from the light receiver 15 detected light intensity.

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Claims

Liquid thermometers PATENT CLAIMS 1. Liquid thermometers with a capillary that winds into a tube filled with the thermometer liquid A piston-shaped extension opens out, which is noticeable. t that the capillary (1) in an optical waveguide (5) designed as a hollow fiber a reflective end face (9) pointing towards the piston-shaped enlargement (2) is provided, which via a fiber coupler - (14) with a light source (13) for Coupling in light and with a light receiver (15) -for detecting the reflected Light is coupled.

2. Thermometer according to claim 1, characterized in that the jacket (7) of the optical waveguide (5) and the bulb-shaped extension (2, 8) from one Glass material are made whose refractive index is lower than the refractive index of the core (6) of the optical waveguide (5) having the capillary (1).

3. Thermometer according to claim 2, characterized in that that the capillary (1) having the core (6) of the optical waveguide (5) in the Near the transition of the piston-shaped enlargement (2, 8) into the capillary (1) one Has end face (9) running at right angles to the capillary (1).

4. Thermometer according to one of the preceding claims, d a d u r c it is noted that the thermometer fluid (3) is colored and the light source (13) emits light of a color for which the absorption of the thermometer liquid is maximum.

5. Thermometer according to one of claims 1 to 4, since you r c h C3 e it is not indicated that the refractive index of the thermometer liquid (3) is about is equal to or greater than the refractive index of the core (6).

6. Thermometer according to claim 2 and 3, characterized in that at the end face (9) a jump in refractive index with a large difference in refractive index between the material of the core (6) and the material (8) of the piston-shaped enlargement (2) is available.

7. Liquid thermometer with a capillary at one end opens into a flask-shaped extension filled with the thermometer fluid, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the capillary (1) on that of the piston-shaped Extension (2) opposite end connected to an optical waveguide (12) is that via a fiber coupler (14) with a light source (13) for coupling from L, icht into the cavity of the capillary (1) and with a light receiver (15) - coupled to detect the light reflected from the thermometer liquid (3) is.

8. Thermometer according to claim 7, characterized in that it is e n n e i c h n e t that the thermometer fluid (3) is mercury.